7.1 Солнце

Трудно найти во всей Вселенной другой космический объект, от которого в такой же степени, как от Солнца, зависело бы состояние нашей планеты. Прежде всего это объясняется тем, что ближайшая к Земле звезда снабжала, снабжает и еще долго будет снабжать планету энергией.

Солнце как физический объект постоянно находилось под пристальным вниманием людей на протяжении всей истории человечества. В далекие, так называемые, языческие времена во многих религиях мира Солнце почиталось одним из главных богов, что, собственно, не является удивительным, потому что оно с завидным постоянством проливает на небеса и земную твердь свои животворные лучи, обеспечивая юные цивилизации светом и теплом.

Чем больше человек узнавал о Солнце, тем больше понимал, насколько все земные процессы зависят от состояния звезды. Особенно очевидным это стало в последние десятилетия, когда многие исследования были перенесены в космос и появился интерес к особенностям физических процессов на Солнце. Вызвано это целым рядом объективных обстоятельств.

Во-первых, проведенные космические и наземные наблюдения показали, что процессы, протекающие как в самом Солнце, так и в околосолнечном пространстве не уникальны во Вселенной. Они весьма характерны для других космических объектов.

Солнце является ближайшей к Земле звездой, находящейся на расстоянии примерно 149,6 млн. км. Электромагнитная волна, распространяющаяся, как известно, со скоростью света с = 3-10 м/с, путешествует от Солнца к Земле около 500 с, т. е. немногим более 8 мин.

Следующей по близости к Земле звездой является Проксима Центавра, свет которой достигает поверхности нашей планеты за 4,3 года. Почувствуйте, как говорится, разницу. Такая относительная близость Солнца позволяет отслеживать все происходящие на нем процессы, можно сказать, в реальном масштабе времени и наблюдать звезду с помощью современных телескопов не в виде точки, а в виде диска.

Солнце с позиций науки представляется уникальной естественной лабораторией, дающей возможность ставить целенаправленные эксперименты по изучению основополагающих проблем космофизики, физики плазмы, ядерной физики, магнитной гидродинамики, космологии и физики элементарных частиц.

Во-вторых, Солнце является уникальным и единственным астрофизическим объектом, который в высшей степени небезразличен обитателям Земли. Солнце способствовало появлению всех живых организмов на нашей планете и является одновременно источником многих видов энергии, используемой современной цивилизацией. Непрерывное и неуемное пока увеличение энергетических порождает целый ряд глобальных проблем и делает приоритетной проблему прямого использования солнечной энергии, которая излучается с поразительным постоянством миллиарды лет.

Каждый квадратный метр поверхности Солнца в энергетическом отношении можно сравнить с электростанцией мощностью 6-104 кВт. Овладение технологиями прямого использования солнечной энергии сулит человечеству устранение или, по крайней мере, смягчение нависшего над цивилизацией энергетического кризиса [8].

Солнце в его наблюдаемом в настоящее время состоянии проявилось примерно 6-7 млрд. лет назад, в то время как возраст Земли составляет около 4,6 млрд. лет. Солнце является рядовой звездой Вселенной и занимает промежуточное состояние между красным гигантом и белым карликом.

Некоторые физические характеристики Солнца приведены в табл. 1.1, из которой можно составить представление о временных, геометрических и энергетических параметрах звезды.

Таблица 7.1

Солнце представляет собой плазменный шар радиусом RS = 6,96-105 км, что в 109 раз превышает радиус Земли.

Плотность Солнца неодинакова по объему. Масса звезды и ее размеры дают основание полагать, что в центральных областях вследствие гравитационного сжатия плотность солнечного вещества должна достигать величин порядка pS = 1,5-10 кг/м3. При этом температура вещества должна быть не ниже Т = 1,4 107 К. Только в таких условиях внутреннее давление газа способно уравновешивать давление, обусловленное гравитационным сжатием.

Столь высокая температура может поддерживаться на протяжении длительного времени реакциями термоядерного синтеза, которые, по сути, и являются основным энергетическим источником. Ученые считают, что выделение термоядерной энергии происходит вследствие превращения ядер водорода в ядра гелия.

Реакции ядерного синтеза сопровождаются излучением в широком частотном диапазоне: от у-квантов до излучения на радиочастотах, включая длины волн рентгеновского, ультрафиолетового, оптического и инфракрасного диапазонов.

Образование ядер гелия из ядер водорода сопровождается уменьшением общей массы вещества примерно на 0,7%, которая преобразуется в энергию в соответствии с формулой Хевисайда АЕ = Amc2. Если бы Солнце состояло из водорода, который весь бы превратился в гелий, то его масса уменьшилась бы на величину АМв = 0,07 Мв = 1,4-1028 кг с высвобождением энергии АЕ = 1,26-1045 Дж.

Гравитационное сжатие разогревает внутреннее солнечное вещество до температуры около 107 К, что вполне достаточно для возникновения реакций термоядерного синтеза более тяжелых элементов из легких. По современным спектроскопическим данным, Вселенная состоит примерно из 69% водорода и 30% гелия. На долю всей остальной таблицы Д.И.

В настоящее время Солнце ежесекундно излучает в пространство энергию L® = 3,83-1026 Дж/с, теряя при этом массу Ат = АЕ/с2 = 4,26-109 кг. Если сравнить массу Солнца с массой вещества, излучаемого за год, то получится достаточно показательная величина:

К =              =              211-                            = 1,49 -1013 —,

Атт 4,26 -109 - 3,15 -107              год

что говорит о ничтожности излучаемой Солнцем массы по сравнению с общей массой звезды.

При сохранении темпов излучения энергии все запасы водорода на Солнце израсходуются за промежуток времени

Ат = АМ - с2 = 1,26 -1026 = 3,29 - 1018с = 1,04 -1011 лет .

Le              3,83 -1026

что не вызывает тревоги по поводу пришествия конца света, по крайней мере, по этому параметру. Энергии хватит всем и, что особо радует, надолго, несмотря на то что каждую секунду масса Солнца уменьшается на 4 млн. т.

Древнегреческие мыслители, например Аристотель, были абсолютно уверены в том, что небо в целом неизменно. Они считали, что изменения происходят только на Земле, а все, что находится в небе, является абсолютно совершенной и неизменной субстанцией. Были, конечно, некоторые небесные изменения. Примерно 25 комет за сто лет можно было наблюдать с поверхности Земли невооруженным глазом. Все тот же Аристотель объяснял эти явления несовершенством подлунного мира, т. е. процессами, протекающими в пределах Земли.

Первым, кто официально усомнился в такой постановке вопроса, был датский астроном Тихо Браге, который, измерив в 1577 г. параллакс одной из видимых комет, обнаружил, что относительно Земли она расположена гораздо дальше Луны. Это никак не согласовывалось с меморандумом о совершенстве и неизменности неба.

Появление новых звезд отмечали и до Тихо Браге, но значения этому не придавали. Известно, что Гиппарх в 134 г. с. л. обнаружил новую звезду в созвездии Скорпиона и даже попытался составить звездную карту для более удобной регистрации новых проявлений изменения небес.

А еще раньше, в 1054 г. до н. э., в созвездии Тельца обнаружилась звезда, которая по яркости превосходила Венеру, и ее можно было наблюдать даже в дневное время. Это уникальное явление в течение нескольких недель наблюдали китайские и японские астрономы, о чем имеется письменные свидетельства, дошедшие до наших дней.

Европейская астрономия, пребывавшая по известным причинам в состоянии, близком к упадку, начала проявлять активный интерес к событиям на небе только в эпоху Возрождения.

В 1572 г. Тихо Браге наблюдал появление новой звезды и описал свои исследования в книге «De Nova Stella». После изобретения телескопа астрономы с завидным постоянством начади обнаруживать на небе появление и исчезновение звезд.

Было установлено, что все звезды имеют свой «жизненный цикл» - от состояния красного гиганта до белого карлика, который можно проследить по яркости их светимости.

Солнце, изменяя свою поверхностную температуру, будет переходить в другой спектральный класс - из желтого в красный. Солнце в настоящее время находится в средней части главной последовательности, на которой располагаются стабильные звезды с термоядерными источниками энергии. Такие звезды практически не изменяют своей светимости на протяжении многих миллиардов лет, что тоже не может не радовать.

Полное количество излучаемой Солнцем энергии определяется солнечной постоянной, т. е. количеством энергии, проходящей в течение единицы времени через единичную площадку, расположенную вне атмосферы, на усредненном расстоянии между Солнцем и Землей. Эта величина JS составляет 1,4-103 Вт/м2. Если величину солнечной постоянной умножить на астрономическую единицу, т. е. на расстояние между Солнцем и Землей, то получится мощность солнечного излучения (светимость) L®, которая составляет 3,83-10 Вт.

Излучение солнечной энергии исходит из относительно тонкого слоя - так называемой фотосферы, толщина которой составляет всего около 1/2 000 RS = 350 км. Тепловое излучение Солнца с достаточной степенью точности соответствует излучению абсолютно черного тела, находящегося при температуре 6 000 К.

Верхняя часть фотосферы абсолютно прозрачна для некоторых частот излучения, имеющего непрерывный спектр, некоторые же полосы частот поглощаются солнечным веществом. Фотосфера в основном состоит из водорода. Атомы других элементов составляют всего лишь 1/1 000 часть от общего количества атомов. В областях фотосферы с температурами около 4 000 К образуются в незначительных количествах молекулы СН2, CN и др. (рис. 7.1).

Хромосфера

р = 3-10“'' кг/м

р = 3-10-12 кг/мэ;

Т = 1,5 -10" К. р = 10 'Па; п = 10"м

Солнечный ветер

Протуберанец

5 -10'км

Нижнее основание конвективной зоны

1500 км

Зона

энерговыделения

р= 10 кг/м’; Т = Ю” К;

Внутренняя

корона

X

р = 10‘Па.

р = 2-105 кг/м’; Т = 14 107К; р = Ю'^Па.

Практически вся излучаемая Солнцем энергия заключена в диапазоне длин волн от Xmin = 1 500 A до Xmax = 0,5 см. Поскольку диапазон излучаемых частот определяется температурой и физическими свойствами вещества, то анализ солнечного излучения дает основание полагать, что атмосфера имеет слоистое строение.

Солнечная поверхность - фотосфера - обнаруживается телескопом в виде совокупности ярких площадок, которые называются солнечными гранулами. Их средние размеры достигают 700 м, а время сохранения формы гранул колеблется от 5 до 15 мин. Разница температур в отдельных участках гранулированной поверхности составляет примерно 500 К.

На фоне гранул время от времени возникают солнечные пятна и факелы, время жизни которых колеблется от 30 до 60 мин. Температура пятен ниже, чем гранул, и составляет около 4500 К. Пятна являются источником ионизированных молекул газа, которые, взаимодействуя с магнитным полем Солнца, образуют фото- сферные факелы протяженностью до 50 000 км и продолжительностью «жизни» в несколько месяцев. В годы максимальной активности Солнца факелы могут занимать до 10% всей поверхности звезды. Яркость факелов на 10-20% превышает общий фон.

Рис. 7.2. Протуберанец

Помимо волнового излучения Солнце генерирует частицы. Наблюдаемая при затмениях корона обусловлена рассеянием света на свободных электронах и межпланетной пыли. В основании короны концентрация свободных электронов составляет величину ne = 3-1014 м-3.В пределах короны располагаются сравнительно холодные участки с концентрацией частиц n = 1017 м-3 и температурой Т = 104 К - протуберанцы, имеющие протяженности порядка 0,33 RS. Протуберанцы, являясь основным свидетельством проявления солнечной активности в ее атмосфере, имеют форму дуг, воронок и т. п. (рис. 7.2).

Ежедневное воздание почестей Солнцу жрецами Египта, Вавилона и многими другими служителями культа в тех странах, где оно почиталась Богом, с позиций современной науки не представляются абсолютно абсурдными. А то, что Солнце представляет собой неодушевленный плазменный раскаленный до нескольких миллионов градусов огромный шар, не является причиной для меньшего его почитания, потому что все живое на Земле, как отмечено выше, своим возникновением и развитием обязано Солнцу. Это ли не проявление божественной силы в понимании наших пращуров?

С незапамятных времен люди установили, что состояние Солнца не является стабильным. Более 4 000 лет назад жрецы измеряли период обращения нашей планеты вокруг Солнца и установили на основе таких измерений продолжительность года и суток. По результатам наблюдений древние астрономы научились предсказывать солнечные затмения.

История инструментальных наблюдений Солнца начинается с Галилео Галилея (1564-1642 гг.), который с помощью изготовленного им телескопа в 1611 г. впервые осознанно упомянул о солнечных пятнах.

В 1814 г. Йозеф Фраунгофер (1787-1826 гг.), проводя спектроскопические наблюдения светила, обнаружил темные линии поглощения в спектре Солнца. Изучение спектров поглощения и спускания Солнца послужило основанием для выводов о химическом составе ближайшей к нам звезды.

С 1836 г. ученые начали регулярно вести наблюдения предсказанных астрономией затмений Солнца, что привело их к обнаружению короны и хромосферы звезды, а также солнечных протуберанцев - одним словом, всего того, что объединено понятием «солнечная активность».

С появлением астрономических инструментов было установлено, что количество солнечных пятен изменяется с периодом примерно в 11 лет. О цикличности солнечной активности впервые написал немецкий астроном-любитель Генрих Са- муэль Швабе (1789-1875 гг.). На рис. 7.3 приведена зависимость относительного числа пятен в период с 1850 по 1940 гг.

Рис. 7.3. Периодичность изменения числа пятен на Солнце

Как видно из приведенных данных, периодическое изменение количества солнечных пятен с одиннадцатилетним периодом не вызывает сомнения. Солнечные пятна, солнечные вспышки, факелы, протуберанцы и коронарные лучи во многом влияют практически на все происходящие на Земле процессы - от планетарных атмосферных явлений до поведения человека и животных.

Как правило, их объединяют в одно понятие - активность Солнца. К настоящему времени путем непосредственных измерений и моделирования появилась возможность отслеживать абсолютное значение числа пятен. На рис. 7.4 приведены данные международной службы Солнца, где каждая точка графика соответствует измеренному или вычисленному числу солнечных пятен.

Рис. 7.4. Активность Солнца в последние годы Постоянство в периодичности числа пятен, судя по данным рис. 7.4, прослеживается и в настоящее время. Нельзя сказать, что зависимость числа пятен от времени описывается идеальной периодической функцией - синусом или косинусом, а вот тенденция периодичности просматривается в явном виде.

В середине прошлого века учеными зафиксировано повышение активности нашей звезды. Солнечная активность стала самой высокой за последние 1150 лет наблюдений. Этот вывод был сделан на основе изучения количества радиоактивных изотопов в ледниковых слоях Гренландии и Антарктики. Исследовалось количество радиоактивного изотопа бериллия-10, который синтезируется высокоэнергетическими элементарными частицами космического происхождения. В периоды повышенной солнечной активности магнитное поле нашей звезды экранирует Землю от космических лучей, и бериллий-10 образуется в меньших количествах.

В конце 50-х гг. прошлого века американский астрофизик Юджин Паркер выдвинул гипотезу о непрерывном расширении выбрасываемого солнечной короной газа в масштабах всей солнечной системы, поскольку газ на значительном удалении от Солнца имел высокую температуру. Эта гипотеза подтвердилась при наблюдениях с помощью советских и американских космических аппаратов. Оказалось, что в межпланетном пространстве были зарегистрированы устойчивые потоки вещества, которые назвали солнечным ветром, являющимся, по сути, расширяющейся солнечной короной. Как было отмечено ранее, солнечный ветер образован в основном ядрами водорода (протонами), ядрами гелия (а-частицами) и свободными электронами.

Частицы, составляющие солнечный ветер, перемещаются в космическом пространстве в радиальном направлении со скоростями порядка нескольких сот метров в секунду. В табл. 7.2 приведены параметры солнечного ветра.

Таблица 7.2

Компоненты солнечного ветра летят, как видно из табл. 7.2, со скоростями порядка 400-500 м/с, удаляясь от Солнца на расстояние, в сотни раз превышающее абсолютную астрономическую единицу (среднее расстояние между Солнцем и Землей), устремляясь туда, где межпланетная среда Солнечной системы переходит в разреженный межзвездный газ. Вместе с ветром в межпланетное пространство переносятся и солнечные магнитные поля.

В 2002 г. американский спутник и наземные службы зарегистрировали мощную вспышку, сопровождавшуюся возникновением огромного протуберанца, площадь которого в 30 раз превосходила площадь Земли.

В ноябре 2003 г. солнечная мощная вспышка вывела из строя японский спутник связи «Kodama», который перестал функционировать как ретранслятор радиосигналов. Эта же вспышка нарушила авиасообщения в Канаде. Сильнейшие электромагнитные помехи заставили управление полетами разработать специальные маршруты движения самолетов, чтобы не терять с ними радиосвязи.

Воздействие магнитных бурь на земные объекты до конца еще не изучено, но накопленные факты заставляют ученых с опаской относиться к этому природному явлению. Так, в ноябре 2004 г. сильная магнитная буря «прижала» к Земле международную космическую станцию (МКС) - ее орбита снизилась на 7 км. Состыкованный в это время со станцией корабль «Прогресс» попытался поднять станцию, однако двигатели сработали нештатно, и в результате МКС поднялась лишь наполовину.

Конструкторам радиоэлектронной аппаратуры, особенно для летательных аппаратов, приходится снабжать свои устройства специальными защитными системами, экранирующими приемные элементы от электромагнитных наводок. Сложность заключается в том, что помехи, вызванные радиоизлучением Солнца, в своем спектре в изобилии содержат рабочие частоты устройств.

Влияние активности Солнца на живую материю на Земле можно обнаружить, наблюдая состояние растений, микроорганизмов и животных. Изменения магнитного поля Земли, состояние которого находится в прямой зависимости от состояния Солнца, влияет на растения на уровне их клеток.

Рис. 7.5. Срез ствола сосны

В периоды повышенной солнечной активности увеличивается проницаемость мембран, что интенсифицирует обменные процессы. Клетки более активно поглощают питательные вещества, стимулирующие их рост и размножение. Кроме того, учеными установлено, что количество аммонифицирующих и нитрифицирующих бактерий в почве тоже растет. Другими словами, в периоды повышенной активности Солнца происходит более интенсивное «удобрение» почвенного покрова, что сказывается на темпах развития растений.

На рис. 7.5 приведен срез ствола сосны, на котором отчетливо заметно, что толщина годовых колец неодинакова. Наиболее широкие кольца соответствуют периодам повышенной активности Солнца.

Еще до открытия циклической активности Солнца знаменитый английский астроном Ф.В. Гер- шель (1738-1822 гг.), тот самый, которому посчастливилось 13 марта 1781 г. открыть новую планету Уран, проанализировал динамку цен на пшеницу за прошедшие 200 лет и, сопоставив их с количеством пятен на Солнце, обнаружил ошеломляющую корреляцию.

Цены на зерно падали в периоды повышенной солнечной активности. Рассмотрев далее изменения климата за этот же период времени, Ф. В. Гершель установил, что в интересующие его периоды времени климат становился более влажным. Выпадало больше дождей, отсюда и происходило увеличение урожайности зерновых культур и, как следствие, снижение цен.

После того как эта занятная история о взаимосвязи астрономии и экономики получила огласку в ученом мире, исследователи стали искать обнаруженную взаимосвязь в других аспектах жизни Земли. И результаты, не менее интригующие, чем взаимосвязь цены на пшеницу и количества дождей, не заставили себя долго ждать.

Человек также испытывает зависимость от солнечной активности. Дело в том, что от состояния Солнца, как выяснилось, зависит жизнедеятельность микрофлоры, которая, в свою очередь, определяет предрасположенность человеческого организма к различного рода заболеваниям. Например, установлено, что эпидемии холеры в прошлые времена буйствовали именно во время повышенной солнечной активности. Период наиболее опасных и массовых эпидемий гриппа имеет продолжительность 11,3 года, причем эпидемии начинаются за 2,3 года до начала максимума солнечной активности и идут на спад за 2,3 года до окончания этого периода.

Большой вклад в изучение влияния Солнца на возникновение эпидемических заболеваний внес отечественный исследователь А. Л. Чижевский, проанализировавший за длительный промежуток времени динамику таких эпидемических заболеваний, как чума, холера, тиф. На конкретном статистическом материале А.Л. Чижевским было показано, что наиболее сильные смертоносные эпидемии возникали на планете именно в периоды наибольшей солнечной активности. Такая же закономерность была обнаружена для заболеваний дифтерией, менингитом, полиомиелитом, дизентерией и скарлатиной.

В 60-х гг. ХХ в. врачи начали наблюдать влияние состояния Солнца на сердечно-сосудистые заболевания людей. Несложно было заметить, что первыми начинают «чувствовать» разгулы стихии на Солнце люди, перенесшие инфаркт миокарда, причем реакция наблюдалась не на абсолютные показатели излучения, а на скорость их изменения. Резкие хромосферные всплески уровня активности, существенно влияющие на состояние магнитного поля Земли, переносились ими наиболее тяжело. В магнитосфере Земли в это время происходили так называемые магнитные бури.

Во Франции накануне Второй мировой войны в курортном городе Ницце врачи обнаружили, что в периоды экстренных вызовов карет скорой помощи из-за сердечных приступов всегда нарушалась телефонная связь, временами даже пропадая совсем. Этот феномен позже объяснили физики. Нарушения работы сердца появились у людей во время магнитных бурь, которые возникали как следствие процессов в солнечной хромосфере.

По большому счету, врачи уже давно стали приписывать естественным магнитам лечебные свойства. Аристотель, Плиний Старший, Парацельс и придворный врач Вильям Гилберт, открывший магнитное поле Земли, с переменным успехом использовали магниты в своей практике.

По результатам современных исследований установлено, что магнитное поле наиболее значимо влияет на регуляторные системы организма (нервную, эндокринную и кровеносную). Действие магнитного поля тормозит условные и безусловные рефлексы и влияет на состав крови. Подобная реакция организма человека на магнитное поле объясняется прежде всего изменением свойств водных растворов в организме человека.

В 1934 г. английские исследователи Джон Бернал и Ральф Фаулер высказали гипотезу о наличии у воды при определенных обстоятельствах свойств, присущих кристаллическим структурам. В настоящее время открытый широкий класс жидких кристаллов используется для визуализации в мониторах, дисплеях и подобных устройствах.

В условиях, близких к нормальным, кристаллическая структура воды неустойчива и проявляется не вполне очевидно. При воздействии на воду магнитным полем она приобретает целый ряд не совсем обычных для воды свойств. Подвергнутая магнитной обработке вода проявляет весьма низкую способность к образованию накипи на нагревательных поверхностях, изменяет свои диэлектрические и оптические свойства. Политые обработанной водой семена дают более дружные всходы. Стройной теории взаимодействия воды и магнитного поля к настоящему времени не создано, имеются рабочие гипотезы, которые требуют тщательной экспериментальной проверки на систематической основе.

Применительно к живым организмам, которые более чем на 70% состоят из воды, являющейся неотъемлемой составной частью клеток и тканей, удается только фиксировать стабильное негативное влияние на самочувствие всяких изменений магнитного поля Солнца, особенно в периоды солнечных бурь. Именно в периоды активизации Солнца на нашей планете происходят события, подобные Варфоломеевской ночи.

На основании скрупулезного анализа архивных материалов учеными установлено, что абсолютное количество практически всех видов животных на нашей планете является функцией времени. Это происходит в силу целого ряда причин, среди которых солнечная активность занимает не последнее место.

Известно, что задолго до возникновения мировых религий монгольские и тюркские народы имели специальный календарь - «мушель», содержащий рекомендации животноводам. В частности, там отмечались неблагоприятные годы для роста поголовья животных. Особое место занимали годы Зайца, которые наступали, как известно, через каждые 12 лет. Годы пресловутого Зайца совпадали с периодами, как сейчас говорят, спокойного Солнца.

При более тщательном рассмотрении этого совпадения было обнаружено, что и в наше время численность заячьего «населения» тоже заметно изменяется в зависимости от активности Солнца. Наибольшая численность зайцев-беляков наблюдается в периоды максимальной солнечной активности. На рис. 7.6 приведены две зависимости от времени: сплошная кривая характеризует процесс заготовок зайцев в Якутии (М-%), нормированных в процентах относительно минимальной величины, а пунктирная кривая - солнечную активность, сдвинутую по временной оси на 5 лет.

Таким образом, данные за период с 1925 по 1959 гг. показали, что численность зайца-беляка в Якутии в зависимости от солнечной активности меняется практически так же, периодически. В этой связи не вызывает сомнения, что эти изменения численности животных вызваны именно солнечной активностью - фактором, который действует одинаково на разных долготах, на всей Земле, то есть в планетарном масштабе.

Непосредственное влияние космических факторов на состояние животных подтверждается тем, что для отдельных видов сроки увеличения их численности часто совпадают. В Северной Америке, например, в течение длительного периода времени, охватывающего не одно столетие, годы большой добычи зайцев, рябчиков и рысей тоже синхронизированы с солнечной активностью. Наиболее рельефно особенности солнечного влияния проявляются при смене столетий. Так, например, около 1900 г. возрастание численности животных приходилось не на периоды минимумов солнечной активности, а на время повышенных солнечных проявлений.

При более детальном рассмотрении оказалось, что численность животных зависит от активности Солнца, проявляясь двояко. В одном случае периодичности совпадали таким образом, что максимумы численности приходились на минимумы солнечной активности, а в другом - максимумы численности некоторых видов животных - на максимумы активности Солнца, но в обоих случаях имела место корреляция.

Вопрос о влиянии солнечной активности на численность животных и урожайность сельскохозяйственных культур достаточно изучен, а вот о влиянии активности Солнца на организм человека ученые мало что знают. Человек, являясь, по мнению некоторых ученых, вершиной эволюционного процесса живой материи, не столь прост в своем состоянии и взаимодействии с природой, как животные и растения. Всем известно: чем сложнее система (механическая, термодинамическая, социальная и т. п.), тем многочисленнее и сильнее ее внутренние связи, что некоторым образом нивелирует действие внешних объектов. Сложные системы быстрее и эффективнее адаптируются к изменению внешних условий.

Рис. 7.7. Взаимодействие Солнца и Земли

В такой сложной системе, как человеческое общество, было бы легкомысленным сводить все мотивации, движущие индивидами, к динамике образования и исчезновения солнечных пятен. Естественно, что воздействие Солнца на организм человека, как говорится, имеет место быть, однако уровень человеческого познания таков, что сейчас можно говорить только о неких частных проявлениях в отдельных геополитических ситуациях, а это всегда оставляет место для сомнений: не простые ли это совпадения?

Следует иметь в виду, что атмосфера и магнитосфера Земли являются достаточно надежным экраном от внешних воздействий, включая и солнечное излучение как в форме полей, так и в форме частиц. На рис.

7.7 показана картина взаимодействия солнечного излучения с магнитным полем Земли.

Несмотря на защитные свойства магнитосферы              Земли,              влияние

Солнца на биологические и технические процессы велико. Прежде всего это касается метеочувствительных людей, особенно склонных к сердечно-сосудистым заболеваниям. Это влияние сказывается на функционировании телекоммуникационных систем, связанных с использованием космических аппаратов в качестве ретрансляторов сигналов.

Для совместного рассмотрения насущных вопросов естественнонаучного комплекса дисциплин, целесообразно привести некоторые дополнительные сведения, касающиеся физических, химических, биологических и геологических свойств как нашей планеты, так и окружающего ее космического пространства. Представляют интерес и исторические сведения, сохранившиеся в дошедших до нашего времени документах.

На самых ранних, известных ученым этапах своего развития люди проявляли постоянный интерес к небу. Поместив большую часть своих богов именно на небе и, связывая с их волей свои судьбы, человечество было вынуждено доступными методами и средствами следить за состоянием небесных сфер. Естественно, что представление об окружающем Землю пространстве соответствовало уровню знаний и возможностям имеющихся в распоряжении наблюдателей инструментов.

Первоначальная информация была, по теперешним представлениям, в немалой степени наивной. Так, например, в мифах Древней Греции понятие небесного свода ассоциировалось с некой крышей, простиравшейся над земной твердью. Достаточно вспомнить, что Геракл, незаконнорожденный сын главного из богов, совершая один из своих двенадцати подвигов, удосужился некоторое время держать на своих могучих плечах небесный свод. Пока Атлас путешествовал по просьбе Геракла за золотыми яблоками Гесперид (запад нынешней Испании), гигант исполнял эту нелегкую работу. Вот как сказал об атлантах, держащих небосвод, Юрий Визбор:

Держать его махину - не мед со стороны.

Напряжены их спины, колени сведены.

А небо год от года все давит тяжелей,

Дрожит оно от гула ракетных кораблей.

Да, Геракл был гигантом, но не до такой же степени. По другим свидетельствам мифологии, Геракл был высок, но не настолько, чтобы превосходить размерами, например, горы. Таким образом, естественно предположить, что в представлении древних греков небо начиналось практически сразу (несколько метров не в счет), за выступающими точками гористой местности.

В Библии все, что располагается над землей, называется небесным сводом. Это понятие происходит от латинского слова «firmament», основу которого составляет слово «firmus» - твердый.

Наблюдая за перемещением светил по небесному своду, древнегреческие астрономы уже в IV в. до с. л. поняли, что небо нельзя представить одним простым навесом. В ночном небе они видели как неподвижные относительно друг друга светящиеся объекты (далекие звезды), так и активно движущиеся, изменяющие свое положение в течение одной ночи. Солнце, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн (другие планеты в те далекие времена еще не были открыты) перемещались по своей собственной траектории. Древние греки назвали их планетами. Слово планета в переводе с греческого языка означало «блуждающий».

Созерцательный период астрономии закончился в 240 г. до с. л. Эратосфен Киренский, возглавлявший знаменитый Муссейон, который находился в Александрии .

Эратосфен обратил внимание на то, что 21 июня, в полдень, в египетском городе Сиена (нынешний Асуан) солнце находилось строго в зените. В то же самое время в Александрии, расположенной на расстоянии 805 км севернее, все вертикально стоящие предметы отбрасывали тень.

Вывод ученого был поистине гениальным для того давнего времени. Причиной такого явления могла быть только кривизна поверхности Земли. Используя простейшие геометрические модели, Эратосфен вычислил кривизну земного шара (рис. 7.8).

В результате расчетов получилась величина, весьма близкая к точному значению, R = 6400 км. Поражает прозорливость ученого и его умение владеть минимумом информации для получения совершенно фантастических для своего времени результатов.

В 100 г. до н. э. Эратосфена проверил Позидон из Апамеи. Повторив измерения, он получил менее точный результат - R = 4600 км (рис. 2.4). Эта величина по странному стечению обстоятельств была принята как более правдоподобная. Заниженное значение размеров Земли использовали многие астрономы древности, включая знаменитого Клавдия Птолемея, одного из последних бескорыстных защитников теории Аристотеля о неподвижности Земли как центра Вселенной. Значение радиуса Земли, вычисленное Птолемеем, было поставлено под сомнение только в 1521-1522 гг. после завершения экспедиции Магеллана.

Геометрические методы определения космических расстояний были использованы Аристархом Самосским, который вычислил расстояние от Земли до Луны, используя в качестве единицы измерения диаметр нашей планеты. Наблюдая затмения Луны, Аристарх догадался, что причиной затмения была Земля, находящаяся между Солнцем и Луной. Граница тени Земли, пересекающей Луну, позволила установить их относительные размеры. Полученное в результате вычислений расстояние L^ = 3,84-105 км оказалось весьма близким к точному значению, экспериментально измеренному с помощью современных лазерных технологий.

Распространяя геометрический метод на более дальние расстояния, Аристарх пришел к выводу, что Солнце должно быть расположено от Земли на расстоянии Log = 20 Lsui. Несмотря на то что полученная величина была занижена примерно в 20 раз, древний астроном понял, насколько собственные размеры светила превосходят земные. И сразу вставал резонный вопрос: почему огромное по размерам и массе Солнце вращается вокруг маленькой Земли? Нелогично. Высказав идею о том, что Солнце не может быть спутником Земли, Аристарх Самосский не был услышан современниками, находящимися в плену идей великого Аристотеля. Сокрушать авторитеты было трудно, похоже, что вера придавала людям силы во все времена. Как известно, геоцентрическая система устройства мира господствовала в научной среде до 1545 г. н. э. - до выхода в свет книги Николоса Коперника, который, по сути, вернулся к истокам - на более чем десять веков назад, в эпоху гениального и дерзкого Аристарха Самосского.

Все существовавшие на Земле религии, от самых ранних, «неправильных» - языческих и до современных, «правильных», имели непременный и основополагающий атрибут - свою теорию сотворения мира. Естественно, что основное внимание в мифах уделялось именно Земле, а все остальное, что ее окружало, имело название «небо», или «небеса». Сотворение мира древние люди относили не к столь далеким временам, как теперь. Промежутки времени в тысячу лет воспринимались более реальными, чем в миллионы. Показательным примером, на наш взгляд, представляется попытка определения даты рождения Земли на основе исследования генеалогических хитросплетений персонажей первых глав Книги Бытия.

Все существовавшие на Земле религии, от самых ранних, «неправильных» - языческих и до современных, «правильных», имели непременный и основополагающий атрибут - свою теорию сотворения мира. Естественно, что основное внимание в мифах уделялось именно Земле, а все остальное, что ее окружало, имело название «небо», или «небеса». Сотворение мира древние люди относили не к столь далеким временам, как теперь. Промежутки времени в тысячу лет воспринимались более реальными, чем в миллионы. Показательным примером, на наш взгляд, представляется попытка определения даты рождения Земли на основе исследования генеалогических хитросплетений персонажей первых глав Книги Бытия.

В 1658 г. архиепископ Джеймс Ашер, проанализировав, кто кем был рожден и на ком женился (вышел замуж), пришел к выводу, что избранная Богом планета была произведена на свет, опять-таки божий, 22 октября 4004 г. до н. э., в 8 часов пополудни. Средневековые греческие теологи, сопоставив известные исторические свидетельства о цивилизациях Месопотамии и Египта, посчитали уместным сдвинуть эту знаменательную дату в глубь веков на 5508 г. до н. э.

Библейский вариант сотворения мира господствовал в официальной науке до 1785 г. н. э., до выхода в свет сочинения шотландского естествоиспытателя Джеймса Хаттона «Теория Земли». Хаттон утверждал, что, судя по скорости протекания процессов на поверхности Земли в виде образования и выветривания гор, изменениям положения речных течений и т. п., возраст нашей планеты должен быть существенно большим, нежели по библейским теориям. Сделав предположение о постоянстве скорости процессов, исследователь сформулировал так называемый принцип единообразия. То, что видел на поверхности Земли Хаттон, по его убеждению, должно было начаться не тысячи лет назад - как минимум счет должен идти на миллионы. Как и следовало ожидать, смелые и научно обоснованные предложения Хаттона не встретили официальной поддержки.

Однако естественнонаучные факты имели свойство напоминать о себе по совершенно различным поводам. В 30-х гг. XIX в. н. э. подданный ее величества Чарльз Лаелл публикует трехтомное сочинение «Принципы геологии», в котором с британской добросовестностью и бесстрашием подтверждает на 100% правоту Хаттона. Современная геология начала свое существование с Лаелла, одновременно несколько прояснив ситуацию с возрастом нашей планеты.

Возраст Земли пытались вычислить, используя принцип единообразия, по толщине осадочных пород, оседающих вследствие действия воды. Несмотря на большие ошибки из-за влияния выветривания, выкрашивания, сдвигов и других причин, влияющих на результат, стало очевидным, что нашей планете никак не менее 500 миллионов лет.

Еще более почтенный возраст Земли был определен в 1715 г. английским астрономом Эдмундом Хейли по концентрации солей в Мировом океане. Хейли предположил, что изначально океан был пресным, а его наполнение солями происходило за счет речных стоков. Чтобы создать соленость около 3%, требовалось время - не менее миллиарда лет. Такой же порядок возраста давали исследования биологов, проследивших развитие примитивных одноклеточных существ.

Однако новую неясность в вопрос о возрасте нашей общей обители, как это и следовало ожидать, внесли физики. В середине XIX века адепт немецкой классической физики Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц дерзнул применить закон сохранения энергии к Солнцу. По мнению Гельмгольца, Земля не могла быть старше Солнца, а Солнце, по тогдашним представлениям о термодинамике, не могло очень долго излучать столько энергии без ущерба для своего состояния. Яркий представитель английской физической школы Уильям Томсон, ставший за свои научные заслуги лордом Кельвином, в результате термодинамических вычислений определил, что возраст Земли не должен превышать 50 миллионов лет.

К концу XIX века мнения ученых о возрасте Земли разделились. По одну сторону условной баррикады находились физики, доказывая, что по всем любимым ими законам наша планета не могла в твердом состоянии находиться более миллиарда лет. Нападающая же сторона, представляющая геологов и биологов, пыталась предъявить неопровержимые, по ее мнению, доказательства таковой возможности.

Однако никто не мог предположить, что в 1896 г. Анри Беккерель откроет явление радиоактивности с его фантастической энергетикой, что повергнет в прах все классические термодинамические теории. Молодая физическая поросль, не отягощенная чрезмерным преклонением перед авторитетами и своими учителями, крушила классические устои физических основ мироздания. Юный Эрнст Резерфорд, любимый ученик знаменитого Джона Джозефа Томсона, открывшего электрон и предложившего миру первую модель атома, на одной из своих лекций в присутствии лорда Кельвина несколькими фразами перечеркнул многолетние труды мэтра. Он заявил, что не имеет смысла скрупулезно подсчитывать, за какое время могла остыть Земля до теперешнего состояния, без учета ее постоянного подогрева изнутри за счет освобождения энергии радиоактивными веществами.

Проникновение в глубь материи на атомный и ядерный уровень сделало вполне реальным исчислять возраст Земли миллиардами лет. Изучение остаточной радиоактивности горных пород позволило отнести их возраст к отметке в 4 млрд. лет. Современные исследования, проведенные с использованием более совершенных приборов, определили возраст Земли в твердотельном состоянии - 4,7 млрд. лет.

Представления о внутреннем строении Земли начали формироваться в древние времена, когда люди на себе испытывали проявления земной активности в виде землетрясений и извержения вулканов.

В течение последних пяти веков, по имеющимся у ученых данным, при землетрясениях погибло около 6 млн. человек, причем практически половина из них проживала в Китае.

В 1556 г. в провинции Шэнси в результате подземных толчков погибло 830 тыс. человек. Спустя 420 лет, в 1976 г., в районе Тендзян жертвами колебаний поверхности земли стали, по разным оценкам, от 350 тыс. до 1 млн. жителей. Подобные катастрофы случались и в других странах: в 1908 г. в итальянском городе Мессина погибли 120 тыс. жителей; 1755 г., Лиссабон - погибло 50 из 220 тыс. человек, проживающих в этом городе; 1737 г., Калькутта - погибло 300 тыс. человек; 1923 г., Токио - 143 тыс. человек. В табл. 2.1 приведены сведения о жертвах, случившихся вследствие природных катаклизмов на Земле в период с 1947 по 1997 гг.

Как видно из приведенных данных, только циклоны, тайфуны и штормы представляют для человечества большую угрозу, чем землетрясения. Необходимо отметить, что цунами в большинстве своем тоже являются следствиями подводных землетрясений.

Величина энергии, выделяющейся в результате сильного землетрясения, уступает, по сути, только энергии, производимой космическими объектами. Правда, и человек способен уже вызвать рукотворные катаклизмы в виде термоядерных взрывов, энергия которых всего в 100 раз меньше энергии сильного землетрясения.

Не заметить такой активности планеты было просто невозможно. Проблема землетрясений стала для человечества актуальной по двум основным причинам. Во-первых, землетрясения - это зло, уносящее так запросто тысячи жизней. Во- вторых, ученые уже давно поняли, что изучение явлений, связанных с относительными перемещениями поверхностных слоев Земли, может помочь составить хотя бы схему ее внутреннего строения.

В настоящее время для определения силы землетрясений используются две шкалы: одна - 12-балльная, так называемая описательная шкала MSK-64 (Медведева - Шпонхойера - Карника), которая принята на территории нашей страны, и другая - логарифмическая, или магнетудная, 9-балльная шкала Рихтера, которая характеризует энергию землетрясения в месте его возникновения - в гипоцентре. Изменение силы землетрясения по этой шкале в один балл соответствует 100- кратному изменению выделяющейся энергии. Проекция гипоцентра на земную поверхность называется эпицентром. Сила землетрясения, таким образом, зависит от расстояния между гипоцентром и эпицентром, т. е. от глубины расположения гипоцентра.

Теория колебаний и волн позволила прийти к еще одному очень важному заключению. В 60-х годах прошлого века были обнаружены незначительные колебания положения полюсов земного шара, происходящие после сильных землетрясений, в частности чилийского в 1960 г. и аляскинского в 1964 г. Было установлено, что колебания имеют период 430 суток. Если бы Земля была твердым телом, то период не должен был превышать 305 суток. Это обстоятельство явилось очередным подтверждением, что ученые имели дело с колебаниями шара с жидкой сердцевиной.

Исследования последних 30 лет позволили, таким образом, установить, что Земля расслоена концентрическими оболочками (рис. 7.9).

Предполагается, что центральная часть планеты - внутреннее ядро состоит из металлического вещества в твердом состоянии. Плотность внутреннего ядра рвнутр.ядро составляет примерно 13-103 кг/м3. Далее располагается жидкое внешнее ядро с плотностью рвнеш. ядро = 9 - 11-103 кг/м3. Внешнее ядро окружено нижней мантией с плотностью Рнижн мант. = 5-103 кг/м3. Верхняя мантия имеет плотность рверх. мант. = 3,56-103 кг/м3. Поверхностный слой Земли называется корой, его средняя плотность составляет ркор. = 2,8-103 кг/м3.

Проведенные в последнее время исследования продолжительности земных суток, выполненные с помощью квантовых стандартов частоты, показали, что их продолжительность уменьшается на 1 микросекунду за 10 лет.

По гипотезе ученых, это происходит вследствие того, что жидкий слой планеты за счет сил вязкого трения гасит некоторую часть энергии вращательного движения. Всем известен способ, как отличить вареное яйцо от сырого.

Достаточно придать яйцам вращательное движение. Вареное яйцо будет вращаться достаточно долго, потому что является, по сути, твердым телом. Сырое яйцо, сделав несколько оборотов, остановится. После начала вращения более вязкий желток некоторое время будет оставаться в покое относительно скорлупы и слоя белка. Часть первоначальной энергии вращения будет рассеиваться в виде тепловых потерь при движении вязкого белка.

Землю не представляется возможным рассматривать как полностью сформировавшееся, неэволюционирующее космическое тело. В течение 5 млрд. лет ее существования изменениям подверглось как внутреннее строение, так и поверхность с атмосферой.

На основании данных вулканологов и геофизиков, на поверхность планеты из ее недр ежегодно выбрасывается Ат = 1-1013 кг вещества. По сравнению с общей массой Земли МЗ = 6-1024 кг масса ежегодных выбросов невелика, но если процесс перемещения массы рассмотреть во времени, то за период существования нашего общего дома было перемещено АМ = 5-1020 кг. Выброс такого количества вещества со средней плотностью р = 2,6-103 кг/м3 обеспечил при равномерном распределении по поверхности слой толщиной = 34 км.

Последнее обстоятельство указывает на то, что земная кора является продуктом долговременной эволюционной переработки вещества верхней мантии.

Строительство планеты, таким образом, продолжается, причем человечество, будучи совершенно беспечным, получая регулярно довольно жестокие предупреждения матери-земли, продолжает относиться к ней, так же как и к себе, крайне легкомысленно.

При землетрясениях люди гибнут сотнями, а иногда и тысячами, при этом государства и граждане несут ощутимые экономические потери. Были такие периоды в истории естествознания, когда казалось, что осталось совсем мало времени до того дня, когда ученые научатся с высокой степенью достоверности предсказывать землетрясения: научились же предсказывать солнечные затмения и другие события планетарного и космического масштаба.

Однако, несмотря на то что уже многое стало известно о строении Земли и выяснились некоторые закономерности проявления «характера» нашей планеты, до точных краткосрочных (за несколько часов или суток) и среднесрочных (в течение года) прогнозов пока еще далеко. Иное дело - долгосрочные прогнозы. Известно, например, что на Камчатке с высокой степенью вероятности может произойти сильное или катастрофическое землетрясение. Причем сроки: пять минут, пять суток, пять лет, двадцать лет, сто лет - практически равновероятны.

Поскольку остановить эволюцию планеты человеку не дано, то он должен приспосабливаться к ее процессам, по крайней мере, к тем, что им уже осознанны. Если люди, осознавая опасность, стали селиться и развивать мегаполисы в активных районах Земли, то они должны быть готовы к неприятностям, связанным с естественной «жизнью» планеты. Надо уважать природу и относиться к ней со всей серьезностью.

Если проанализировать крупные трагедии, произошедшие вследствие землетрясений последнего времени, то в большинстве своем они вызваны недопустимо низким уровнем сейсмичности зданий и сооружений, а также вопиющими отступлениями от технологии возведения сооружений в сейсмоопасных районах. Несмотря на некоторую кощунственность мысли, получается так, что человечество платит слишком дорогую цену за собственную беспечность и переоценку своей роли в жизни Земли.

Эволюция планеты Земля. К настоящему времени широкомасштабное понятие эволюции принято условно разделять на три составляющие: неорганическую, органическую и социальную. Эволюция (развитие) неорганического земного мира протекает относительно медленно, она не так очевидна с позиций наблюдателя с ограниченными временными возможностями. В этой связи сам факт неорганической эволюции не так очевиден.

Вместе с тем своим существованием он подтверждает, что под эволюцией необходимо понимать процессы, связанные с самоорганизацией материи. Органическая эволюция человеку также недоступна для наблюдения, потому что он находится внутри процесса. Так, бактерия, живущая в желудке щенка, ввиду несоизмеримости времен существования не может фиксировать глобальные изменения в состоянии организма собаки при его развитии, если бы даже она могла ставить такую цель.

Человек только в последние десятилетия начал подступаться к загадкам мутаций органики на поверхности нашей планеты. Что, кстати, послужило неоправданно долгому преобладанию монополизма теории естественного отбора. Социальная эволюция, которая не менее важна и интересна, обладает относительно высокой скоростью процесса и может наблюдаться даже на протяжении времени, отпущенного одному поколению людей. Достаточно вспомнить, что еще остались среди живущих люди, родившиеся до Великой Октябрьской социалистической революции 1917 г., или, как сейчас модно говорить, до октябрьского переворота.

Вопросами эволюции заинтересовались в XVII веке стараниями Рене Декарта и Исаака Ньютона. Эволюционные теории заняли доминирующее положение в науке после трудов Ч. Лаэлля и Ч. Дарвина. Работы этих ученых позволили установить, что эволюцию можно рассматривать как неизбежный процесс усложнения наблюдаемого мира.

Следует отметить, что развитие любого земного организма, с точки зрения человека, не может восприниматься как эволюция: все, что будет наблюдаемо на протяжении жизни, - старение. Если наблюдать за секвойей, которая в среднем живет около 3 000 лет, то можно изучить только процесс старения. Другими словами, при рассмотрении эволюционных процессов следует иметь в виду, что бессмертен только феномен жизни в постоянно эволюционирующей Вселенной. Биосфера Земли тоже смертна, но, тем не менее, она подвержена эволюции вот уже более 4 млрд. лет. В этой связи развитие земной биосферы относительно человека является эволюцией. Все дело в сопоставлении отведенных времен.

В современном представлении понятие эволюции используется, как правило, в двух смыслах. Во-первых, понятие эволюции применяют в тех случаях, когда хотят подчеркнуть постепенный характер того или иного процесса. Во-вторых, понятие эволюции применяется как противовес революционных изменений, имеющих скачкообразный характер. Следует обратить внимание, что эволюционные и революционные характеры процессов имеют одинаковое направление, только протекают во времени с существенно разнящимися скоростями. Логично предположить, что революционный характер процессов тоже вписывается в общую схему эволюции, происходящей по более динамичным законам.

История нашей планеты подтверждает следующие тенденции эволюционной теории: последовательное и закономерное развитие под действием внутренних сил, что соответствует теории самоорганизации материи. Направление эволюции, обусловлено интенсификацией метаболизмов, т. е. циркуляцией вещества и энергии в природе. Все изменения протекают при участии в эволюционном процессе биосферы и ноосферы.

Как уже отмечалось ранее, наиболее рабочей версией образования Солнечной системы является так называемая аккреационная теория, т. е. предположение о возможности формирования объектов из газопылевых туманностей, в изобилии присутствующих и в нашей галактике. Вследствие флуктуационных процессов сжатие таких туманностей под действием сил гравитации сопровождается их дроблением на отдельные фрагменты, которые по массе и размерам могут превосходить нашу Солнечную систему. Астрономы такие облака называют протозвездами.

Гравитационное стягивание пылегазовых образований сопровождается рядом физических явлений.

Во-первых, они уменьшаются в размерах, становясь более плотными.

Во-вторых, от спонтанного гравитационного взаимодействия с окружающими звездами облака получают незначительную вращательную составляющую.

В-третьих, угловая скорость вращения туманностей ввиду справедливости закона сохранения момента импульса с изменением размеров увеличивается. При этом форма пылевого облака из сферической трансформируется в дискообразную. Астрономы полагают, что на этой стадии эволюции материи могут иметь место две геометрические формы. Если облако принимает форму диска, то при его дальнейшем преобразовании образуется двойная звезда. Если в центре облака имеется сферическое утолщение, то при его распаде возникает солнечная система, подобная нашей.

Вращающиеся газ и пыль ведут себя по-разному. Как правило, пыль собирается в окрестностях оси вращения в виде плоского экваториально ориентированного блина, а газовая составляющая туманности концентрируется в виде сферической формы облака с увеличивающейся плотностью по направлению к оси вращения. Пыль экваториального диска, будучи разорванной на фрагменты, слипается в планеты, а центральное газовое облако, сжимаемое гравитацией, превращается в звезду, подобную нашему Солнцу.

Относительно нашей планетной системы сложилось мнение, что она возникла около 5 млрд. лет назад из газопылевого облака, состоявшего на 98-99% из водорода с примесью гелия. Силы гравитационного сжатия «запустили» ядерный реактор Солнца. Возникший при этом солнечный ветер сдул с ближайших молодых планет системы их водородные атмосферы. Меркурий и Венера напрочь лишились своих атмосфер. На третьей планете Солнечной системы (Земле) ввиду затухания солнечного ветра сохранилось примерно 0,5% водородной атмосферы от ее первоначальной массы, на четвертой от Солнца планете (Марсе) осталось уже 3-5% первоначальной атмосферы. На мифической пятой планете Фаэтон осталось 30% водородной оболочки, а на гигантах Юпитере и Сатурне, т. е. на шестой и седьмой планетах, водородная оболочка осталась в первозданном виде.

Кстати, о Фаэтоне. Ряд астрономов считает, что между Марсом и Юпитером существовала еще одна планета, которая вследствие резкого падения атмосферного давления при срыве водородной оболочки взорвалась, образовав поле астероидов.

Земля за 4 600 млрд. лет прошла долгий путь эволюции - от однообразного пылегазового образования в виде туманности до теперешней сложной структуры, о которой говорилось выше. Доминирующей причиной формирования сложных структур на первоначальном этапе являлась гравитация, породившая не только слоистую структуру планеты, но и ставшая основным источником энергии, обеспечившим наблюдаемое ныне температурное распределение.

Современные теории эволюции Земли рассматривают два внутренних источника энергии - гравитационный и термоядерный. Эти теории во многом расходятся в вопросах определения приоритета гравитации и реакций термоядерного синтеза. Согласно одной из точек зрения Земля вначале была сравнительно холодной, только после гравитационного разогрева часть вещества расплавилась, а температура сделалась возможной для протекания радиоактивных процессов. Согласно второй точке зрения основной причиной является гравитация. Аккреация была настолько стремительной, что планета разогрелась в период начального формирования за счет высвобождающейся потенциальной энергии. Источником потенциальной энергии в расплавленной Земле был процесс опускания тяжелых соединений железа к центру планеты.

В настоящее время устоялось мнение об одновременном существовании двух вышеупомянутых энергетических источников. Споры в основном разворачиваются вокруг вопроса о доминировании одного или другого процесса. Если принять превалирование гравитационного механизма, то к настоящему времени вне внутреннего ядра Земли осталось около 15% всего наличного железа, которое может опускаться к ядру еще около 1,5 млрд. лет, после чего наша планета превратится в геологически неактивное космическое тело, подобное Луне.

Гравитационная дифференциация органически вписывается в общую концепцию эволюции, так как способствует усложнению структуры. В соответствии с современными физическими представлениями вещество Земли при столь значительных давлениях должно представлять собой достаточно твердое тело, но экспериментальные данные, о которых упоминалось ранее, говорят, что это твердое состояние демонстрирует свойства очень вязкой жидкости. Даже форма планеты - эллипсоид с несколько выпяченным Северным и вдавленным Южным полюсами - идеально соответствует форме, которую должна принимать вязкая жидкость в равновесном состоянии. В толще этой псевдожидкости постоянно протекают чрезвычайно медленные, но фантастически мощные движения масс вещества, обеспечивающие горообразование, вулканизм и землетрясения. Рассмотренные в предыдущем подразделе геосферы Земли можно условно разделить на три основных слоя: тяжелый, промежуточный и легкий. Внутренний тяжелый слой с плотностью более 8-103 кг/м3 состоит из соединений железа и других металлов (MgO, SiO2, Fe, FeO, Ni, CaO и др.). Радиус этой области составляет около 2 900 км.

Толщина легкого слоя - земной коры плотностью около 2,5 103 кг/м3 составляет всего 33 км. Земная кора, так же как и на других планетах Солнечной системы, возникла в результате жидкостного расслоения вещества на более плотные железосиликатные, железокаменные и так называемые флюидные оболочки. Вопрос о времени возникновения земной коры продолжает возбуждать в научном мире неутихающие уже долгие годы споры. Тем не менее можно считать устоявшимся мнение о том, что 4 млрд. лет назад за счет интенсивного вулканизма уже существовала начальная форма коры толщиной около 10 км. Примерно 1 900-1 700 млн. лет назад произошла перестройка земной коры: возникли системы разломов, между которыми формировались прогибы, послужившие возможному дрейфу материков.

Сначала ученые придерживались гипотезы о фиксизме, т. е. полагали, что перемещения масс внутри Земли происходят только под действием вертикальных сил, в радиальном направлении. Затем возобладала теория тектонических плит, согласно которой около 3 млрд. лет назад возникли гигантские силикатные плиты, составляющие часть коры и «плавающие» в жидкой мантии.

При всей интригующей непосредственности и распространенности теории тектонических плит у нее есть очевидные изъяны. Теория не может объяснить или опровергнуть факт схожести контуров некоторых материков, например Африки и Южной Америки.

В эволюционном процессе Земли активным образом участвуют обстоятельства космического происхождения. С позиций теоретической механики и термодинамики Земля является открытой системой. Она как получает электромагнитное излучение в широком спектре от Солнца, так и излучает электромагнитные волны в длинноволновом тепловом диапазоне в космическое пространство. Кроме того, Земля является объектом гравитационного взаимодействия со множеством космических объектов, прежде всего - с Солнцем и Луной. Из механики известно, что даже три тела могут образовать систему с динамическим хаосом, т. е. систему, движущуюся в определенной степени нерегулярно. Сейчас о такой системе говорят как о синергетической с фрактальным видом траектории движения. Воздействие на Землю Солнца, Луны, остальных планет Солнечной системы с их многочисленными спутниками проявляется в виде малопредсказуемых небольших по космическим меркам изменений орбиты Земли вокруг Солнца.

В истории нашей планеты было несколько глобальных геологических кризисов, повторяющихся с периодичностью 180 и 30 млн. лет. Столь значительные периоды характерны только для процессов космических масштабов. Больший период соответствует галактическому году - времени обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики, второй - периоду вертикальных колебаний Галактики около галактической плоскости. Для Земли наиболее важными являются изменения ее орбитальных параметров. При возрастании угловой скорости планеты ее форма становится более сплюснутой, полярные области испытывают сжатие, а экваториальные - растяжение. В растягивающихся областях земная кора растягивается и проседает, образуются значительные по протяженности трещины, из которых извергается лава. При сжатии коры глыбы громоздятся друг на друга и сминаются в складки.

Наличие в земной коре аномально большого количества химических элементов с большими атомными весами (элементы с тяжелыми ядрами) может быть объяснено тем фактом, что Солнечная система при своем сложном движении пролетает области космического пространства, занятые туманностями с тяжелыми элементами. Известно, что наиболее богаты тяжелыми элементами спиральные галактики, особенно в рукавах, образованных газопылевыми комплексами. Галактика Млечный Путь устроена таким образом, что Земля периодически проходит через области максимальных плотностей пылегазовых образований. Земля втягивает на свою поверхность огромное количество космической пыли, в этой связи из всех планет Солнечной системы наша планета имеет в своей коре самый широкий ассортимент химических элементов. Подтверждением такого видения являются анализы марсианской пыли, которая состоит преимущественно из железа и магния метеоритного происхождения.

Неоспоримым и значащим фактором земной эволюции является биосфера, возникшая около 4,5 млрд. лет назад, т. е. спустя совсем непродолжительное время после образования планеты. Общепризнано, что биосфера активно участвовала на протяжении всего времени эволюции в формировании осадочных горных пород, составляющих ощутимую часть земной коры.

В результате эволюции верхних слоев Земли, включая биосферу, трансформировалась атмосфера планеты и ее гидросфера. Атмосфера и гидросфера образовались вследствие дегазации магмы, выносимой из толщи мантии на поверхность. Газы в условиях огромных давлений в мантии находились в растворенном состоянии - в виде молекул пара. При выбрасывании магмы наверх давление резко падало, растворенные газы переходили в свободное состояние в виде сферических полостей, которые на поверхности схлопывались (коллапсировали). Подобный бурный и красочный эффект наблюдается всякий раз при откупоривании шампанского.

Значительную роль в эволюционных процессах верхних слоев Земли играет движение воды. Вода, находящаяся на поверхности планеты, составляет только некоторую часть общепланетного запаса. Вода внутри земной коры находится в виде солевых растворов, циркулирующих по трещинам и пластам, а также в виде составной части кристаллических решеток некоторых минералов, прежде всего серпентинов. В прежние времена, как и теперь, имел место процесс обмена водой, находящейся на поверхности и внутри земной коры.

Земля в масштабах Вселенной или даже Галактики представляет собой небольшой космический объект, смертную структуру с фактом рождения, развития, зрелостью и неизбежным угасанием, которое, возможно, совпадет по времени с завершением дрейфа железа к центру Земли.

Определяющим, а возможно, и уникальным явлением эволюционного процесса на Земле стало появление жизни. Это не стало бы возможным, если бы планета не была окутана газовой оболочкой высотой в несколько сотен километров. И жизнь в теперешнем виде не могла возникнуть, если бы атмосфера молодой планеты содержала свободный кислород.

что всего в 1,3 раза (v2K = 11,2 км/с) меньше второй космической скорости. В уравнении, являющимся следствием основного уравнения молекулярнокинетической теории, приняты следующие обозначения: R = 8,314 Дж/(моль-К) -

На высоте более 100 км под действием ультрафиолетовой части электромагнитного излучения Солнца молекулы водяного пара диссоциируют на водород и гидроксил. Два гидроксильных радикала затем соединяются, образуя молекулу перекиси водорода, которая в течение непродолжительного времени разлагается на свободный кислород и воду. Цикл превращений повторяется. Тяжелые молекулы кислорода О2, имеющие молярную массу ц(О2) = 16-10- кг/моль, под действием гравитационных сил опускаются к поверхности, а легкие молекулы водорода массой ц(Н2) = 2-10-3 кг/моль поднимаются в верхние слои атмосферы, где температуры таковы, что тепловые скорости их движения превышают первую космическую скорость: универсальная газовая постоянная; р - молярная масса; Т - абсолютная температура.

Атмосфера по своей высоте имеет весьма специфическое, нелинейное распределение температур (рис. 7.10). Если придерживаться мнения, что все планеты Солнечной системы возникли из одного и того же протопланетного вещества, то начальная земная атмосфера должна была быть близкой по составу к атмосферам планет-гигантов - Урана, Сатурна и Юпитера, которые благодаря своим внушительным массам смогли удержать в гравитационном поле значительную часть легких компонентов газообразного вещества. В атмосферах этих массивных планет сохранились такие газы, как аммиак, метан и даже водород.

Первичная атмосфера Земли оказалась неустойчивой, ее сдуло, предположительно, солнечным ветром, поэтому в современной атмосфере практически отсутствует водород. Водород сохранился только в самых верхних слоях атмосферы, где он синтезируется в процессе фотодиссоциации паров воды при воздействии ультрафиолетового излучения Солнца. Однако в верхней атмосфере водород долго не задерживается, улетая в космическое пространство. Покинувший земную атмосферу водород образует водородную корону, занимающую несколько тысяч километров.

Кроме того, первичная атмосфера претерпела изменения как бы изнутри, при эволюции Земли. В результате работы вулканов выбрасывалось огромное количество газов в виде углекислоты (СО2), сероводорода (Н28), аммиака (NH3), цианистого водорода (HCN) и прочих газообразных продуктов вулканической деятельности. Продукты начавшейся к тому времени фотодиссоциации, особенно кислород, активно окисляли вулканические газы. Образующиеся при этом окислы под действием силы тяжести опускались к поверхности Земли. Это, по сути, была уже атмосфера второго поколения, основным свойством которой было незначительное

количество свободного кислорода.

Дополнительным подтверждением нестабильности земной атмосферы может служить мизерное количество инертных газов по сравнению с их распространенностью в космическом пространстве, включая околоземное. Инертные газы потому так и были прозваны, что они крайне редко вступали в соединения с другими веществами, т. е. не образовывали на протяжении истории Земли тяжелых соединений. По этой причине они, подобно водороду, разогрелись до второй космической скорости (lt; v gt;« Vt ) и покинули атмосферу.

В 1953 г. Стэнли Миллер в лабораторных условиях успешно провел моделирование физико-химических условий на ранней Земле. В частности, в специальной установке (рис. 7.11) был осуществлен синтез органических веществ из неорганических молекул CO, CO2, CH4, HCN, Н2О.

Различные комбинации газов, имевшие место в ранней атмосфере Земли, подвергались воздействию ультрафиолетового излучения, получаемого при высоковольтных разрядах. Миллеру и его продолжателям удалось синтезировать ряд аминокислот, аденин, глицин, глутаминовую кислоту и простые сахара.

Было установлено, что наиболее эффективно синтез протекает в диапазоне ультрафиолетового излучения А = 2-2,5-10-10 м, которое при отсутствии озонового слоя в ранней атмосфере было вполне вероятным. В настоящее время указанный диапазон ультрафиолетового излучения Солнца поглощается озоновым слоем. При проведении облучения в течение нескольких десятков часов в реакторе образовывался целый набор аминокислот. При добавлении в реактор соединений серы образовывались достаточно протяженные полимерные молекулы, включающие в свой состав углеводородные цепочки.

В колбе 1 кипела вода, обеспечивая выделение водяного пара, вакуумный насос 2 и кран 3 позволяли удалять атмосферный воздух и водяные пары. Реактор 4 содержал смесь газов метана СН4, аммиака NH3, водяных паров H2O, водорода Н2, моделирующих ранний состав земной атмосферы. В реакторе происходили электрические разряды высокого напряжения, получаемого с помощью устройства, состоящего из катушек L1 (7) и L2 (5), механического прерывателя 9 и источника постоянного напряжения 10. Продукты реакции подавались в охладитель 5 и накопитель продуктов реакции 6. Кроме упомянутых газов в процессе эксперимента в реактор добавлялось некоторое количество серы, игравшей роль катализатора.

Сейчас трудно установить личность конкретного человека, открывшего атмосферу. Более двух тысяч лет ученые постепенно составляли представление об уникальной газовой оболочке Земли.

Античные ученые считали воздух одной из основных мировых субстанций, которая способна разделяться на более простые составляющие. Следует заметить, что многие древние греки, включая Аристотеля, в своих схемах мироздания не отводили места пустоте как таковой. Заканчивалась земная твердь, начинался слой воды (океана), океан плавно переходил в небо, состоящее из воздуха, воздушная оболочка граничила с оболочкой огня, за которой сразу начинались необозримые просторы, занятые эфиром. Среди натуралистов бытовало мнение: «Природа не терпит вакуума». Вакуум в переводе с латинского - ничто. Это утверждение, казалось, подтверждалось наблюдениями.

В Древней Греции было сделано много очень важных для практической деятельности человека изобретений. Были придуманы и реализованы, как бы теперь сказали, «в металле» многочисленные машины и механизмы, принцип действия которых используется и в настоящее просвещенное время. К таким творениям древних инженеров относится водяной насос.

Принцип действия такого насоса объяснялся свойством природы бояться пустоты. По Аристотелю, таким устройством можно было поднимать воду на любую высоту. Однако на практике при откачивании грунтовых вод из шахт обнаружилось, что максимально возможная высота составила всего около 10 метров.

Почему происходило именно так, не смог разобраться даже Галилео Галилей (1564-1642 гг.). Он пришел к выводу, что природа не терпит пустоты только до вполне определенного предела. «Парадокс» был объяснен учеником Галилея Эванджелистой Торричелли (1608-1647 гг.), который в 1644 г. провел эксперименты с ртутью - жидкостью, в 13,5 раза более плотной, чем вода.

Заполнив запаянную с одного конца стеклянную трубку длиной 0,914 м ртутью и закрыв свободный конец трубки пальцем, Торричелли перевернул ее и погрузил в чашу с ртутью. Открыв конец трубки, ученый обнаружил, что ртуть вылилась из трубки только частично. В трубке остался столбик жидкого металла высотой 762 мм над уровнем жидкости в чаше.

Так было открыто атмосферное давление и изобретено устройство для его измерения - барометр. Когда ртуть была заменена водой, то для продолжения экспериментов потребовалась более длинная трубка. Столб воды составил 9,9 м. Поделив высоту столба воды на высоту столба ртути, Торричелли обнаружил, что высоты отличаются в 13,546 раз, т. е. отношение высот столбов жидкостей в точности равно отношению их плотностей. Так появилась на свет знаменитая формула для определения величины атмосферного давления:

Ро = РL§hL ,

где pL - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения, измеренное Галилеем; hL - высота столба жидкости. Размышляя над полученными результатами, ученые сделали предположение, что воздух, имея конечный вес, должен обладать и конечной высотой. В соответствии с уравнением и измерениями Торричелли (р0 = 105 Па = 762 мм рт. ст.) на каждый квадратный метр поверхности s действует сила F = 105 Н. Принимая плотность воздуха pG = 1 кг/м3 постоянной по высоте атмосферы (распределение давлений и плотностей с высотой, приведенные на рис. 2.15, еще были неизвестны), была вычислена высота атмосферы:

F

F = mg, m = — « 104 кг, m = pGsh, g

и m F              Ро

h =              =              = -ъад = 10 км.

PgS gP GS PGg

В XVII в. английский физик и химик Джон Миов на основании своих опытов установил, что в состав воздуха входит субстанция, обеспечивающая процессы горения. Он назвал эту субстанцию «горючим воздухом».

Кислород в чистом виде был выделен в Англии спустя столетие одновременно двумя учеными - Джозефом Пристли и Карлом Шелее из ртути. Ртуть нагревалась в атмосфере воздуха до превращения в красный порошкообразный материал. Дальнейшее нагревание порошка приводило к выделению из него газа, который поддерживал горение лучше обычного атмосферного воздуха. Это был кислород.

Азот был открыт в 1752 г. шотландским физиком Джозефом Блэком (1728-1799) путем его выделения из состава воздуха. Блэк назвал эту компоненту «связанным воздухом». Позже, через двадцать лет, в Шотландии Даниэл Резерфорд (1749-1819 гг.), ботаник, врач и химик, при изучении газа, образующегося при сгорании древесного угля, выделил в чистом виде азот, который назвал «удушливым газом».

Термин «газ» применительно к атмосфере начал использовать фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт (1579-1644 гг.), который изучал газообразные продукты брожения фруктовых соков, состоящих в основном из углекислого газа. Генри Кавендиш (1731-1810 гг.), человек, взвесивший Землю, обнаружил горючий газ, который был назван водородом.

В 1770 г. Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794 гг.), французский химик и физиолог, повторяя опыты с нагреванием ртути в воздушной среде, выделил в составе атмосферы два газа: кислород, который поддерживает горение, и азот - «мертвый» газ, который реакции окисления не поддерживает.

К середине XIX века было установлено, что состав атмосферы одинаков для всех точек поверхности Земли. При этом выяснилось, что в составе атмосферы кислород составляет только 20,9%, остальное количество приходится на азот.

Наличие прочих газов, присутствующих в малых количествах, было обнаружено позже. Знаменитый английский исследователь-универсал Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей) (1842-1919 гг.) обнаружил, что азот, выделенный из воздуха, тяжелее азота, полученного из химикалий. Из этого следовало, что в атмосферном азоте присутствует некая газовая субстанция, не обнаруживающая себя в химических реакциях. Спектроскопические исследования атмосферного азота показали, что исследователи имеют дело с двумя газами. Утяжеляющим азот газом оказался инертный газ - аргон. Позже, в 1890 г., Уильям Рамзай (1852-1916 гг.) обнаружил в составе атмосферы еще четыре инертных газа: неон («новый»), криптон («спрятанный»), ксенон («странник») и гелий, который за тридцать лет до этого был найден на Солнце. С появлением инфракрасной спектроскопии список составных частей атмосферы пополнили новые газы: закись азота («веселящий газ»), метан - продукт распада растений и живых организмов и окись углерода.

Перед тем как начать обсуждение особенностей устройства отдельных слоев земной атмосферы, следует заметить, что четкой границы, где заканчивается атмосфера, выделить нельзя: газовый слой над нашей планетой постепенно переходит в космическое пространство, которое, строго говоря, нельзя назвать пустотой. Процесс сгорания метеоритов наблюдается на значительных высотах, где давление в миллион раз меньше, чем на поверхности, а плотность воздуха составляет миллиардную часть плотности атмосферы на поверхности. Северные сияния время от времени наблюдаются на высотах порядка 800-1300 км над уровнем моря.

В распоряжении просвещенного европейского человечества была только гора Монблан во Франции высотой около 4,8 км, что позволило исследовать свойство атмосферы именно до этого уровня. На рис. 7.12 показана структура атмосферы по высоте.

Освоение высот посредством воздушных шаров после изобретения братьев Монгольфье открыло новые возможности исследования свойств атмосферы. Англичанин Джон Джеффриз впервые совершил путешествие на воздушном шаре вокруг Лондона, имея на борту барометр, термометр и устройства для забора воздуха.

В 1804 г. французский физик Джозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850) поднялся на воздушном шаре, наполненном водородом, с приборами на высоту более 7 км и взял несколько проб разреженного воздуха. Гей-Люссак, а затем и Жан-Пьер Бланкар после своих воздушных полетов описали симптомы кислородного голодания, после чего были разработаны беспилотные средства, обеспечивающие получение информации о давлении и температуре. С помощью беспилотных шаров- зондов было установлено, что на высоте 11 км температура атмосферного воздуха, измеряемая термометрами, составляет -55°С, но с дальнейшим увеличением высоты температура по непонятным причинам увеличивается.

Этот феномен исследователи пытались объяснить наличием в атмосфере слоев с существенно различными аэродинамическими характеристиками. Нижний слой, по мнению метеорологов, имел ярко выраженный турбулентный режим движения воздуха, характеризующийся интенсивными переносами масс и тепла. Наблюдаемые на поверхности Земли достаточно продолжительные переменные перемещения больших воздушных масс давали к этому все основания. Этот турбулизиро- ванный слой, состоящий из азота, кислорода и паров воды, был назван тропосферой, что в переводе с греческого означает «сфера изменений». Более высокий слой, заключающий в себя молекулы таких легких газов, как гелий и водород, был назван стратосферой, что соответствовало опять же греческому понятию «многослойная среда». Часть атмосферы, где скорость изменения температуры была равна нулю, получила название тропопаузы. Тропопауза в экваториальных районах обнаруживается на высотах порядка 16 км, а ближе к полюсам уровень тропопаузы опускается до 8 км относительно уровня моря.

Во времена Второй мировой войны бомбардировочная авиация СССР и союзников, спасаясь от зенитных снарядов, была вынуждена подниматься на максимально возможные для двигателей высоты. Пилотами отмечалось, что на нижней границе тропопаузы наблюдаются в направлении с запада на восток воздушные течения, скорость которых достигает 2 000 км/ч. Естественно, что такие течения планетарного масштаба должны оказывать влияние на динамику воздушных масс и в нижних слоях.

Поскольку возможности авиации до появления реактивных двигателей и ракет были ограниченны, то покорение воздушного океана продвигалось в направлении создания герметичных гондол, транспортируемых газонаполненными шарами. Швейцарский физик Огюст Пикар (1882-1962), сконструировавший первый батискаф, перенес принцип его конструкции на летательный аппарат. В 1931 г. в аэростате братьев Пикар аэронавты достигли высоты 17,6 км. Совершенствование конструкции несущих оболочек аэростатов позволило человеку достичь высоты 34 км, а беспилотные аппараты поднимать на высоту более 45 км. В процессе полетов в стратосферу было установлено, что область постоянной температуры не распространяется бесконечно. Границы стратосферы располагались на высоте 20 км, дальше температура начинала увеличиваться. Дальнейшие исследования свойств атмосферы продолжились с помощью ракет, известных в Китае с незапамятных времен и использовавшихся для создания фейерверков. В 1809 г. английский эксперт по артиллерийскому вооружению, проанализировав случаи применения ракет на Востоке в основном в психологических целях, пришел к заключению о возможности их использования для транспортировки взрывчатки.

Первое практическое применение ракетной технологии было осуществлено в СССР, когда на вооружении армии и флота появились знаменитые «катюши». В Германии ко времени окончания Второй мировой войны было выпущено 4 300 ракет конструкции Вернера фон Брауна, 1 230 из которых были обрушены на Лондон. В 1949 г. ракета Брауна V-5 поднялась на совершенно недосягаемую для авиации высоту - 205 км. Примерно в это же время инициативу по использованию ракет для доставки на большую высоту гидрометеорологических приборов перехватил Советский Союз, который к 1950 г. стал абсолютным лидером в ракетостроении.

Ракеты, снабженные средствами телеизмерений, изобретенными отечественным ученым Петром Молчановым в 1925 г., позволили выяснить, что температура за пределами стратосферы увеличивалась до -10°С, а на высоте 80 км снова падала до -90°С. Эта область получила название мезосферы. На высотах более 480 км атмосфера представляет собой разреженный газ, состоящий из молекул водорода и гелия. Температура в этом атмосферном пространстве не представляет собой величину в обиходном понимании, а является следствием скорости движения немногочисленных молекул с большими величинами длин свободного пробега. Если на такую высоту, где, согласно законам термодинамики, температура составляет +1000°С, поместить яблоко, то оно не нагреется, а мгновенно превратится в твердое тело. Да, молекулы газа действительно движутся со впечатляющими скоростями, но их очень мало, чтобы нагревать даже самые маленькие тела. Эта часть атмосферы была названа термосферой (сфера тепла).

Выше термосферы располагается достаточно размытый слой разреженного газа, который получил название экзосферы. Экзосфера примыкает к открытому космосу, это уже межпланетное пространство. Эра ракет ознаменовалась в 1957 г. запуском в СССР первого искусственного спутника - предшественника околоземных космических станций, наблюдение за атмосферой с которых стало вполне обыденным делом.

В нижнем пятикилометровом слое атмосферы Земли сосредоточено 50% ее массы, в шестнадцатикилометровом слое - 90%, а в тридцатикилометровом - 99%. Один кубический метр воздуха на уровне моря имеет массу 1,033 кг, а на высоте 40 км - всего 4 г.

Рис. 7.13. Материки в Мировом океане

Кроме вышеупомянутых газов в атмосфере в относительно малом количестве содержится озон (от греческого слова ozon - «пахнущий»), представляющий собой аллотропную модификацию кислорода О3. Озон, газ синего цвета с резким запахом и температурой кипения -111,9°С, является сильным окислителем. Озон образуется из молекул кислорода О2 при электрических разрядах во время грозы и под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Основная масса О3 в атмосфере расположена на высотах от 10 до 50 км с максимальной концентрацией на высоте 20-25 км. Если озон выделить из всей атмосферы и сконцентрировать его в одном месте при нормальном атмосферном давлении р0 = 105 Па, то образуется сферический слой толщиной 2-3 мм. Озон составляет по массе только одну миллионную часть массы всей атмосферы, однако он несет существенные защитные функции, заключающиеся в чрезвычайно интенсивном поглощении электромагнитного излучения Солнца в ультрафиолетовом диапазоне с длинами волн меньше А lt; 2-1СГ7 м.

Океан. В Солнечной системе есть лишь одна планета - Земля, на которой вода одновременно пребывает в трех фазовых состояниях - твердом, жидком и парообразном. Пары воды, в свою очередь, при соответствующих условиях диссоциируют, разлагаясь на водород и гидроксил.

Если смотреть на Землю из необъятных просторов космоса (рис. 7.13), то она представляется в виде шара, покрытого водой, в которой «плавают» материки. Площадь поверхности Земли S = = 4,99-108 км2, океан при этом покрывает около 71%, т. е. 3,61-10 км . Всего на Земле, по последним оценкам ученых, сосредоточенно 1,5-1018 т воды, при этом в Мировом океане запасено воды 13,41 -108 км3, т. е. 97,2%. Океан является одним из основных источников пресной воды.

Мировой океан делится материками на четыре части: Атлантический, Тихий, Индийский и Северный Ледовитый океаны. Средняя глубина океанских вод составляет 3711 м, наибольшая глубина - 11 022 м (Марианская впадина).

Наиболее крупные океаны - Тихий, Атлантический и Индийский. Тихий океан (площадь около 178,62-10 км ) имеет в плане округлую форму и занимает почти половину водной поверхности земного шара. Атлантический океан (91,56-106 км2) имеет форму широкой буквы S, причем его западное и восточное побережья почти параллельны. Индийский океан площадью 76-106 км2 имеет форму треугольника.

Северный Ледовитый океан площадью всего 14,75-106 км2 почти со всех сторон окружен сушей. Как и Тихий, он имеет округлую в плане форму. Некоторые географы выделяют еще один океан - Антарктический, или Южный, - водное пространство, окружающее Антарктиду.

Мировой океан, средняя глубина которого составляет около 3,7 км, содержит примерно 1,34-109 км3 воды. Атмосферу, окутывающую всю Землю слоем толщиной в несколько сотен километров, с гораздо большим основанием, чем Мировой океан, можно рассматривать как своеобразную «оболочку», отделяющую водную массу от космического пространства. Океан и атмосфера представляют собой соответственно среды в жидком и газообразном состоянии, в которых развилась и существует жизнь; их свойства определяют среду обитания организмов.

Циркуляционные потоки в атмосфере влияют на общую циркуляцию воды в океанах, а от состава и температуры воздуха в сильной степени зависят свойства океанических вод. В свою очередь, океан определяет основные свойства атмосферы и является источником энергии для многих протекающих в атмосфере процессов. На циркуляцию воды в океане влияют ветры, вращение Земли и материки.

Известно, что температурный режим и другие климатические характеристики местности в окрестностях любого континента изменяются по направлению от побережья океана в глубь материка. Особенно это заметно, например, при перемещении из Петропавловска-Камчатского в глубь полуострова. По сравнению с сушей океан медленнее нагревается летом и медленнее остывает зимой, сглаживая колебания температуры на прилежащей к нему суше.

Даже на расстоянии 20-25 км от Петропавловска в зимнее время уже можно зафиксировать понижение температуры. Атмосфера получает от океана значительную часть поступающего к ней тепла и практически весь водяной пар. Молекулы водяного пара поднимаются, конденсируется, образуя капельную форму жидкости - облака, которые переносятся в атмосфере на значительные расстояния в глубь материков, поддерживая на планете все формы жизни, орошая землю дождями или снегами. В процессах теплообмена и обмена влагой участвуют только поверхностные слои водной массы океана; более 95% всей воды находится в глубинах, где ее температура остается практически неизменной. На глубинах два и более километров температура во всех четырех океанах составляет одну и ту же величину - от +2 до +3оС.

Средняя годовая температура поверхности воды составляет 17,5оС, в районе экватора температура максимальна (= 28°С), по мере приближения к полюсам она падает, уменьшаясь до 1,9оС. Следует отметить незначительный разброс температур поверхности воды в трех земных океанах: Тихий - +19,4оС, Индийский - +17,3оС, Атлантический - +16,5оС (ср.: Ледовитый - +2,5оС).

С поверхности Мирового океана каждые сутки в атмосферу испаряется 9,15-108 м3 пресной воды. В водах океанов растворено 44 химических элемента. Общее количество солей по массе составляет = 5-1016 т.

Ели бы стало возможным все соли океанов выпарить и приготовить в виде сухого остатка, то им можно было бы покрыть всю поверхность Земли слоем высотой 150 м. из всех химических элементов более всего в морской воде содержится кислорода, который, в частности обеспечивает жизнедеятельность живых организмов. Исследования океанологов и ихтиологов обнаружили, что содержание кислорода неодинаково по глубине. Максимальная концентрация наблюдается в поверхностных слоях, однако даже на дне Марианской впадины на глубине более 11 км имеется кислород, о чем свидетельствуют обнаруженные там живые организмы.

Вода в океане, как известно, соленая. Такой вкус ей придают содержащиеся в ней 3,5% растворенных минеральных веществ. Это, главным образом, соединения натрия и хлора - основные ингредиенты столовой соли NaCl. Следующим по количеству является магний, за ним следует сера; присутствуют также все известные человеку металлы. Из неметаллических компонентов особенно важны кальций и кремний, так как именно они участвуют в строении скелетов и раковин многих морских животных. Благодаря тому что вода в океане постоянно перемешивается волнами и течениями, ее состав почти одинаков во всех океанах.

Плотность морской воды при температуре 20°С и солености около 3,5% составляет примерно 1,03 -103 кг/м3, т. е. несколько выше, чем плотность пресной воды (1 -103 кг/м3). Плотность воды в океане меняется с глубиной, потому что силы всестороннего сжатия сближают молекулы друг с другом, увеличивая их количество в единице объема. Плотность воды зависит также от температуры и солености. В наиболее глубоких частях океана вода обычно солонее и холоднее. Наиболее плотные массы воды в океане могут оставаться на глубинах и сохранять пониженную температуру по сравнению с поверхностью 1000 лет и более.

Поскольку морская вода имеет относительно низкую вязкость и достаточно высокие значения коэффициента поверхностного натяжения, она оказывает относительно слабое сопротивление движению в ней твердых тел и быстро стекает с различных поверхностей. Преобладающая синяя окраска морской воды связана с рассеянием солнечных лучей взвешенными в воде мелкими частицами.

Морская вода менее прозрачна для света по сравнению с воздухом. Однако учеными зарегистрировано проникновение солнечных лучей в океан до 700 м. Радиоволны проникают в толщу воды на несколько сантиметров, в то время как низкочастотные звуковые волны могут распространяться под водой на сотни километров. Скорость распространения звука в морской воде колеблется, составляя в среднем около 1500 м/с. Электропроводность морской воды в 4 000 раз выше, чем электропроводность пресной воды.

На дне Мирового океана находятся горные хребты, глубокие расселины с обрывистыми стенками, протяженные гряды и глубокие рифовые долины. Океанское дно изрезано не менее, чем поверхность суши, причем перепады горных высот намного существеннее, чем на суше.

Часть океана, ограничивающая континенты, называется материковой отмелью, или шельфом. На внешней части шельфа, как правило, имеются в изобилии скальные выступы. Коренные породы часто выходят и на примыкающую к шельфу часть материкового склона. Средняя глубина внешнего края (бровки) шельфа, отделяющего его от материкового склона, составляет около 130 м. У берегов, подвергавшихся в прошлом оледенению, на шельфе часто отмечаются ложбины и впадины. Так, у берегов Норвегии, Аляски, на юге Чили глубоководные участки обнаруживаются вблизи современной береговой линии; глубоководные ложбины существуют у берегов штата Мэн и в заливе Св. Лаврентия. Выработанные ледниками трещины часто тянутся поперек всего шельфа; местами вдоль них располагаются исключительно богатые рыбой отмели, например шельфовая зона Охотского и Берингова морей.

Шельфы, не тронутые оледенением, имеют более однообразное строение, однако и на них часто встречаются песчаные или даже скальные гряды, возвышающиеся над общим уровнем. В ледниковую эпоху, когда уровень океана понизился вследствие того, что огромные массы воды сконцентрировались на суше в виде ледниковых покровов, в многочисленных местах были созданы речные дельты.

На внешнем шельфе можно обнаружить отложения, образовавшиеся в прошлом, когда уровень океана был более чем на 100 м ниже современного. Там достаточно часто находят кости мамонтов, живших в ледниковую эпоху, а иногда и орудия первобытного человека.

Материковые склоны обычно образуют четкую и хорошо выраженную границу с шельфом, кроме того, почти всегда его пересекают глубокие подводные каньоны. Средний угол наклона на материковом склоне составляет около 4°, но встречаются и более крутые, иногда почти вертикальные участки. У нижней границы склона в Атлантическом и Индийском океанах располагаются пологонаклонные поверхности, так называемые материковые подножья.

По периферии Тихого океана материковое подножье обычно отсутствует; его часто замещают глубоководные желоба, где тектонические подвижки порождают землетрясения, которые очень хорошо знакомы жителям Китая, Японии и Камчатки. Подводные землетрясения являются причиной зарождения большого количества цунами.

На дне Мирового океана располагаются каньоны, врезанные в морское дно на 300 м и более, обычно эти каньоны отличаются крутыми бортами, узким днищем, извилистостью в плане; как и их аналоги на суше, они принимают многочисленные притоки. Самый глубокий из известных подводных каньонов - Большой Багамский, который врезан на глубину около 5 км. Несмотря на внешнее сходство с подобными наземными образованиями, подводные каньоны, как правило, не являются бывшими речными долинами, погруженными ниже уровня океана. Конфигурация подводных долин постоянно изменяется, потому что по ним происходит перемещение наносов. Свидетельством тому является волнообразная рябь на дне, от чего глубина их меняется.

В толще вод океанов и морей имеется циркуляция жидкости, которая и является причиной попадания кислорода на столь значительные глубины. Вертикальная циркуляция обеспечивается разностью температур воды на поверхности и в придонных слоях. Вода, находясь в северных районах земного шара, охлаждается, плотность становится выше, что вызывает ее погружение. Место охлажденной воды занимает более теплая, а охлажденные массы распространяются в придонных областях, чтобы на значительных расстояниях от полюсов где-то снова всплыть и нагреться в приповерхностном слое. Вновь нагретая вода начинает свой долгий путь в направлении Арктики и Антарктики. Время полной циркуляции в Атлантическом океане, по оценке исследователей, составляет примерно 1000 лет, а в Тихом океане, который больше по площади, - вдвое больше.

Встречающиеся на пути циркуляционных потоков материки усложняют картину течений. В 1796 г. Бенджамин Франклин, чей портрет красуется на стодолларовых купюрах, обнаружил в океане огромную теплую «реку» - Гольфстрим, которая имеет среднюю скорость течения 6,4 км/ч, глубину около 800 м и ширину 80 км. Это самая большая «река» на Земле. Течение переносит в секунду примерно в 1500 раз больше воды, чем Миссисипи.

Океанские течения со временем были исследованы и нанесены на карты. В Северном полушарии все течения, вследствие действия силы Кориолиса, движутся в океане по часовой стрелке. В районах экватора сила Кориолиса практически равна нулю, что вызывает тонкие прямолинейные течения, обнаруженные в Тихом и

Атлантическом океанах. В Тихом океане американский океанолог Таунсенд Кромвелл открыл течение, распространяющееся вдоль экватора на восток на расстояния в несколько тысяч километров. В Атлантическом океане тоже имеется более медленное экваториальное течение.

В Северном Ледовитом океане берет свое начало и движется по дну Атлантики, проходя под Гольфстримом, еще одно мощное течение. В Тихом океане такого течения нет, его образованию мешает относительно узкий пролив Беринга, что превращает северную часть Тихого океана в своеобразный тупик.

Ученые достаточно подробно исследовали структуру океанских течений по содержанию в воде кислорода. Дело в том, что холодная вода содержит больше кислорода, чем теплая. На «макушках» Земли, таким образом, в воде содержится наибольшее количество кислорода. Нормируя содержание кислорода относительно максимума, можно проследить океанские течения.

Океан для людей представляет интерес по многим фундаментальным и прикладным причинам. Океан во многом формирует климат на Земле, являясь естественным терморегулятором, он поддерживает состояние динамического равновесия с атмосферой. Кроме того, воды океанов и морей являются своеобразными короткими транспортными артериями, по которым наиболее экономически выгодно перемещать на значительные расстояния хозяйственные грузы.

Никакие другие транспортные средства не сравнятся по грузоподъемности с морскими судами. Океан, наряду с атмосферой планеты, стал стратегическим плацдармом для организации военных приготовлений. Глубины океана и его необъятные просторы открывают широкие возможности скрытной дислокации подводного и надводного оружия. Военными ведомствами развитых стран были выполнены многие исследования физических параметров океана, особенно это касается вопросов гидроакустики и гидрологии. Температурное состояние океана оказывает непосредственное влияние на разнообразные процессы в атмосфере, т. е. определяет широкий спектр явлений, объединяемых понятием «климат».

Слово климат происходит от греческого слова klimax, что означает наклон (земной поверхности к направлению солнечных лучей). Климат представляет собой набор многолетних данных о режимах погоды, являясь основным параметром, определяющим географические характеристики местности. Параметры климата зависят от географического положения региона и свойств так называемой подстилающей поверхности. Поскольку большая часть площади Земли покрыта водой, то температурный режим поверхностного слоя водных масс существенно влияет на климат.

Работа природной тепловой машины, с чрезвычайно сложными и многообразными геофизическими, гидродинамическими, термодинамическими и астрофизическими взаимосвязями, не поддается полному аналитическому описанию.

Ученым удается анализировать только некоторые частности ее функционирования и фиксировать отдельные фазы состояния. Так, например, спутниковые и наземные наблюдения позволяют фиксировать зарождение и развитие циклонов, что является чрезвычайно важным для всех тех, кто по роду своей деятельности связан с работой в океане или находится в непосредственной близости от береговой линии.

По количеству непонятных ученым явлений Мировой океан не уступает телам космического происхождения, таким как Солнце, Луна и другие планеты и звезды, и это несмотря на то, что находится, не в пример последним, ближе к наблюдателям. Причем загадки огромного водного пространства нашей планеты множатся по мере развития теоретических и экспериментальных методов исследований. Так, например, уже в космическую эпоху исследований с помощью спутниковых наблюдений была развеяна царившая долгое время идея нулевого уровня поверхности океана. Оказалось, даже при абсолютном штиле океанская поверхность имеет рельеф, стабильно обнаруживаются пять перепадов уровня поверхности. Поверхность Индийской аномалии опущена относительно общего уровня на 112 м, Калифорнийская аномалия опущена на 56 м, Австралийская, наоборот, - поднята на 78 м, Карибская - опущена на 60 м, Северо-Атлантическая - поднята на 68 м

Наличие различных уровней можно объяснить только аномалиями гравитационного поля Земли, причины которых пока не ясны. Есть предположение, что причиной является слоистая структура планеты. Плотность слоев, как было показано ранее, минимальна на поверхности и возрастает к центру. Поверхность геосфер далека от сферической формы, кроме того, причинами гравитационных аномалий могут быть области перехода вещества из твердого состояния в жидкое и наоборот. Последние обстоятельства делают возможным отклонение направления силы тяжести от радиального.

Любознательный Бенджамен Франклин, путешествуя в середине XVIII века на судне, обратил внимание, что в светильнике, висящем под подволоком его каюты, во время качки судна поверхность осветительного масла остается в спокойном состоянии, в то время как находящийся под ним слой воды находится в состоянии волнового движения. Это было первое наблюдение подводных волн. Оказалось, что под водной поверхностью океана могут возникать участки интенсивного волнового движения с амплитудой волн до 100 м. На поверхности таких страстей не наблюдается даже при цунами.

Океан обладает значительными энергетическими и сырьевыми ресурсами. В донных отложениях и толще океанских вод имеются огромные запасы полезных ископаемых. В водах океана в больших количествах содержатся практически все известные в настоящее время человеку химические элементы. В растворенном виде в океанской воде присутствует 4 млрд. т урана, 300 млн. т серебра, 4 млн. т золота. Учитывая массу океанических вод, можно легко представить, что концентрации этих элементов таковы, что в настоящее время их добыча не представляется экономически целесообразной.

Оправданна в наши дни добыча из океанской воды магния и брома. В частности, брома из океанов и морей добывается около 75% от общего объема потребления этого вещества. Следует упомянуть в этой связи, что экономически оправданна добыча йода из водорослей, который они накапливают в процессе своей жизнедеятельности. Листья ламинарии (морской капусты) в сушеном виде издавна используются для покрытия йододефицита, необходимого для нормального функционирования щитовидной железы.

В прибрежных мелководных зонах некоторыми странами налажена добыча известняка и ракушечника, представляющих собой прекрасный строительный материал. Так, например, Америка таким способом получает ежегодно около 20 млн. т устричных раковин, которые, будучи измельченными, используются в качестве добавок при изготовлении различного рода строительных конструкций.

На дне океанов, особенно Тихого, находятся металлические конкреции, представляющие собой различные металлы, выделившиеся из воды на небольших твердых телах за длительный промежуток времени. Обнаруживаются конкреции, возникшие на мелкой гальке, акульих зубах и т. п. На на каждом квадратном километре дна Тихого океана находится 1,24-10 т конкреций. В тихоокеанских конкрециях содержится 1% никеля, 0,5% меди и 0,5% кобальта.

Мировой океан, наряду с прочим, является источником высококачественной естественной экологически чистой пищи. Для успешной ее добычи потребовались исследования распределения и перемещения питательных веществ отдельных привлекательных в качестве сырья гидробионтов. Как отмечалось ранее, в настоящее время из океанов добывается около 55 млн. т гидробионтов при потенциальной возможности добычи - 200 млн. т, при этом не нарушаются естественные экологические балансы. На рис. 7.14 показано распределение живых организмов по глубине.

Рис. 7.14. Живые организмы в океане

Жизнь в океане более разнообразна, чем на суше - там обитает более 200 00- видов организмов. Некоторые из них, например кистеперая рыба целакант, представляют собой живые ископаемые, предки которых появились в водах океана более 300 млн. лет назад. Большая часть из всего многообразия морских организмов встречается в относительно мелководных районах океана, куда в изобилии проникает излучение Солнца, способствующее процессам фотосинтеза. Водная жизнь наилучшим образом развивается в районах, богатых кислородом, что обусловливает обилие питательных веществ.

Технологии, используемые при освоении биологических ресурсов океана, так же как и все прочие, далеки от совершенства и рациональности. Примером может служить ситуация с рыбной мукой. Человек уже несколько тысяч лет добывает морепродукты, а получать в промышленных объемах рыбную муку стали только в последние 50-70 лет.

Обнаружено, что к поверхности океана поднимаются глубинные воды, обогащенные питательными веществами, что обеспечивает устойчивое состояние многочисленных пищевых цепочек как для простейших одноклеточных организмов, так и для млекопитающих, превосходящих по массе и размерам все сухопутные живые организмы. Речь идето китах, касатках и дельфинах.

В океане трудно отыскать живой организм, который бы кого-нибудь не ел. Как правило, более крупные поедают тех, кто помельче, хотя имеют место и исключения. Организмы, входящие в состав зоопланктона, используют в пищу растения, которые, в свою очередь, являются пищевым продуктом для более крупных водных обитателей, обитающих на большей глубине. В океане ничего не пропадает зря. Например, для стеклянных губок питанием служит останки отживших свой короткий век существ - органического детрита, погружающегося на глубины и дно из тех слоев, что расположены выше. Пищевой механизм океана, с его многообразными цепями, имеет очень тонкое, динамически настроенное равновесие, законы которого человеком еще не до конца изучены.

Нарушение численности любого вида растений или животных вследствие жестких пищевых связей неминуемо приведет к изменениям в численном и видовом составе всех остальных обитателей водного мира. Океан огромен и сбалансирован по всем параметрам, но вмешательство в его динамику человека, не до конца осознающего последствия своих действий, может вызвать необратимые негативные процессы планетарного масштаба. Тому есть многочисленные примеры.

На протяжении жизни двух поколений (не более 60 лет) в одном из самых биопродуктивных районов Мирового океана - в Охотском море подорваны биопопуляции более десяти видов гидробионтов, в частности камчатского краба, минтая, сельди, кальмара, белокорого и синекорого палтуса, трески, морского окуня и т. д.

Мало того, что человек в настоящее время изымает биологического сырья больше, чем океан может воспроизводить, так в последнее время за счет океана цивилизация начала решать свои энергетические проблемы.

В последние десятилетия нефть начали добывать в шельфовых зонах. К чему это приводит, можно наглядно проследить на примере Сахалинского шельфа, где большие по площади районы в окрестностях буровых платформ превращены в биологически мертвые зоны. В настоящее время аналогичный процесс разворачивается у берегов Камчатки. В ближайшее время в Охотском море начнутся пробные бурения. Природа распорядилась так, что нефтеносные районы Охотского моря совпадают с акваториями, наиболее насыщенными промысловыми видами морских обитателей.

Несанкционированные незначительные выбросы нефтепродуктов с рыболовных судов, которыми так были озабочены представители экологических служб, покажутся видами Палестины в волшебном фонаре по сравнению с загрязнениями, вызванными добычей нефти. Добывать, разливать и транспортировать сырую нефть без аварийных разливов невозможно даже теоретически.

Вода. Из всех жидкостей, окружающих человека, вода является самой необходимой для жизнедеятельности нашего организма. Зарождение жизни на Земле и ее развитие так или иначе связано с водой. Другими словами, эта особая жидкость с достаточно простой на первый взгляд (но только на первый) химической формулой H2O сопровождает жизнь человека от рождения и до самой его физической смерти.

Несмотря на то что вода является основным «строительным материалом» на Земле, до недавнего времени люди имели о ней самые примитивные представления. Правда, и в наше, якобы просвещенное время, нельзя указать на человека, для которого вода перестала быть объектом без тайн и интриги.

Г              На              уроках              физики при объяснении всей сложно

сти характеристик воды принято рассказывать детям такую забавную притчу о слоне. Шестеро абсолютно незрячих людей решили на ощупь составить представление об этом своеобразном животном (рис. 7.15). Первый ощупал бок слона и пришел к заключению, что слон - это неровная шершавая стена. Второй слепец исследовал ногу слона и решил, что слон - это столб. Третий из участников эксперимента погладил ухо слона и был уверен, что слон - это большой веер. Четвертый наткнулся на бивень, после чего пребывал в полной уверенности, что слон - это Рис. 7.15.Притча о слот              копье. Пятому для исследования достался хвост, что

стало основанием отождествить слона с веревкой. Последний из слепцов своими ладонями исследовал хобот и пришел однозначному выводу, что слон - это змея. А на самом деле это был обыкновенный слон.

Вместе с тем вода, как полагают ученые, появилась еще на стадии уплотнения вследствие вихревого движения пылегазового облака. Предполагают, что вода присутствовала в виде ледяной мелкодисперсной пыли. Исследования космоса подтвердили, что кислород и водород входят в первую шестерку самых распространенных во Вселенной веществ.

Молекулы воды обнаружены за пределами Солнечной системы. В созвездиях Кассиопеи и Ориона радиофизическими методами астрономы обнаружили огромные облака, состоящие из молекул воды. Размеры этих облаков более чем в 40 раз превышают расстояние от Земли до Солнца. Космические «пришельцы», падающие на поверхность Земли, довольно часто представляют собой огромные ледяные конгломераты смерзшейся воды, метана и минеральных частиц.

В настоящее время укоренились шесть основных гипотез о происхождении воды, каждая из них, имея несомненное рациональное зерно, тем не менее, подобно притче о слоне, имеет ограниченное применение, проливая свет на некоторые частности. Ученые не имеют в своем распоряжении универсальной теории происхождения воды, которая бы поставила точку в давнем споре приверженцев различных концепций.

Гипотезы о происхождении этой странной и самой загадочной жидкости на планете так или иначе связаны с теориями происхождения самой Земли, которые насколько разнообразны, настолько и недостаточно аргументированы.

Первая гипотеза происхождения воды основана на теории «горячего» происхождения Земли, в соответствии с которой Земля в ранние периоды своего существования представляла собой раскаленный шар, который, согласно термодинамическим законам, уменьшал свою температуру за счет излучения тепла в окружающее пространство. На определенной стадии охлаждения возникла так называемая первородная кора, в которой наряду с другими химическими элементами появились комбинации кислорода и водорода, среди которых была и вода.

Через трещины земной коры перегретый пар вырывался наружу, образуя начальное поколение атмосферы в виде облачного покрова. При достижении критической температуры пары воды конденсировались и выпадали на поверхность в виде обильных дождей. По мнению сторонников этой гипотезы, именно ранние земные дожди стали источником постоянного накопления жидкости на ее поверхности. Таким образом образовался Мировой океан.

Вторая гипотеза основана на теории «холодного» происхождения Земли, о которой говорилось выше. Вихревое движение пылегазового облака и гравитационное уплотнение вещества, сопровождающееся нагревом, вызвали интенсивную вулканическую деятельность с выбросами большого количества паров, при конденсации которых образовалось большое количество воды. Вода, таким образом, содержалась в первичном облаке, из которого конструировалась наша планета. В пользу этой схемы появления воды говорит факт ее присутствия в космических объектах, «небесных камнях» в объемной концентрации до 0,5%. При массе Земли МЗ = 6-1024 кг она должна содержать 3-1021 кг воды. А ее в современных масштабах планеты более чем в 200 раз меньше, т. е. всего около 1,5-1019 кг. Если принять обсуждаемую теорию, то огромное количество недостающей воды должно находиться под земной поверхностью.

Третья гипотеза предполагается, что на стадии разогрева планеты на глубинах 50-70 км из ионов водорода и кислорода в условиях высоких температур и давлений возник водяной пар, который просачивался через верхние слои мантии в земную кору. Перемещение пара по толщине коры при меньших температурах способствовало протеканию химических реакций, т. е. минерализации воды. Горячая вода растворяла кислоты и щелочи, превращаясь в рассол. Если принять эту гипотезу, то на глубине 15-20 км над поверхностью гранитного пояса должен присутствовать слой рассола. Сторонники этой теории напоминают об имеющем место экспериментальном факте скачкообразного изменения скорости звука с глубиной, что говорит о возможности присутствия жидкого слоя. На мельничное колесо этой теории льет воду и обнаруженный дрейф материков, «плывущих» в этой глубокой прослойке воды, которая в данном случае исполняет роль смазки.

Четвёртая гипотеза. В 1972 г. английский астроном Хойл, на основе анализа данных космических исследований выдвинул гипотезу, основанную на особенностях происхождения Солнечной системы. Конденсация протопланетного облака происходила таким образом, что на разных расстояниях от Солнца установился градиент температуры. В окрестностях центра системы температуры были таковыми, что конденсировались тугоплавкие вещества. В периферийных областях температура была относительно низкой, порядка 350 К, что достаточно для конденсации паров воды. Предполагается именно этим объяснять «ледяную природу» периферийных планет-гигантов - Урана, Нептуна и Плутона. Причем при формировании планет-гигантов наблюдалось гравитационное выталкивание ледяных глыб в область внутренних планет, которые, не успев расплавиться под действием солнечных лучей, попадали на поверхность Земли и других планет. «Ледяные дожди» были более интенсивными на Марсе и более скудными на Венере. Приведенные Хойлом выкладки не исключают образование океанов и морей на Земле как следствие «ледяных дождей» в течение нескольких миллионов лет.

Пятая гипотеза предполагает, что вода в верхних слоях атмосферы образовалась при бомбардировке ее космическими частицами, среди которых присутствуют в немалых количествах протоны, т. е. ионизированные атомы водорода. Ядра водорода при движении в атмосфере захватывают электроны, превращаясь в атомарный водород, которые по известной схеме вступают в реакцию с атомами кислорода. Оценочные расчеты показали, что этот источник мог дать около 1,5 т воды в год. По планетарным меркам, эта масса не представляется существенной, однако если процесс рассматривать в течение 5-7 млрд. лет, то количество этих постоянных поступлений воды соизмеримо с общими ее запасами на планете.

Шестая гипотеза возникла совсем недавно. Основанием к тому было появление уточненных данных о постоянном расширении Земли со скоростью примерно 1 см в год. Причем, например, Москва и Санкт-Петербург удаляются от неподвижного Гамбурга, находящегося в центре Европы, на восток. Судя по этой совсем небольшой по абсолютной величине скорости расширения, 300 млн. лет назад радиус Земли был практически в два раза меньше теперешнего. Долгое время причины расширения были не вполне ясны. Оказалось, все дело в самом распространенном химическом элементе во Вселенной - водороде. Земля, так же как и вся известная человеку Вселенная, на 98% состоит из водорода, который, наряду с металлами, был в составе протооблака, послужившего «строительным материалом» для Солнца, Земли и всех остальных планет.

Как установили ученые, водород в больших количествах может поглощаться металлами, при этом их объем уменьшается. Вот такое не совсем понятное без специальной подготовки свойство. В лабораторных условиях было получено, что при атмосферном давлении щелочные металлы при поглощении водорода способны сократить свой объем более чем в 1,5 раза, а вот железо и никель уменьшали свой объем не так заметно.

При гравитационном сжатии протооблака давление и температура в его недрах росли, что создавало более благоприятные условия для растворения водорода. В некоторый момент времени концентрация водорода в металлах стала критической, поглощение прекратилось, а температура и давление продолжали увеличиваться. Начался обратный процесс - выделение водорода из металлов. Разрушение металловодородных соединений, т. е. дегазация водорода сопровождалась значительным увеличением объема металлического ядра, при этом земная кора претерпела многочисленные разрушения. Попадая из ядра в менее заглубленные слои Земли, водород захватывал атомы кислорода, что и привело к возникновению молекул воды в виде пара. Конденсация паров в конечном счете привела к заполнению разломов земной коры. Возникли океаны.

Все приведенные выше гипотезы имеют право на жизнь, потому что в их основе лежат вполне вероятные физические и химические процессы, не противоречащие известным человечеству законам. Говорить же о приоритете какой-нибудь из них над остальными, оснований практически нет. Что касается вопроса о происхождении воды, то здесь так же, как и в притче о слоне, все только начинается. Формулировка единой теории возникновения земной воды, наверное, может появиться только в том случае, если информации об этой таинственной жидкости станет достаточно для выяснения всех ее физических, химических и иных индивидуальных свойств.

Что же известно в наше время о воде, кроме того, что гидросфера - океаны, моря, реки, озера, болота и атмосферная влага содержат в общей сложности 1,4-1019 т воды? Три четверти поверхности Земли покрыто водой. Космические снимки Земли показывают, что она выглядит как сплошная вода с незначительными по площади вкраплениями материков.

До XIX века ученые не предполагали, что вода представляет собой химическое соединение. Воду считали химическим элементом, таким как мель, натрий или аргон. Только в 1805 г. немецкий естествоиспытатель Александр Гумбольдт (1769-1859 гг.) и французский физик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850 гг.) установили, что вода состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода и один кислорода.

Более ста лет после этого исследователи и инженеры считали, что единственно возможным стабильным химическим образованием является жидкость с химической формулой H2O. В 1932 г. выяснилось, что в качестве атомарного водорода в состав молекулы воды может входить изотоп - дейтерий. Такой воде дали название - тяжелая вода.

Молекулярный вес тяжелой воды оказался на две единицы больше, другими словами, жидкость имела молярный вес не 18-10- кг/моль, а 20-10- кг/моль.

Ядро Земли, в соответствии с этой моделью, состоит из гидридов металлов, включая и карбид железа. Зоны с высокими значениями давления и температур выделяют среди прочих веществ водород и углеводороды, которые, поднимаясь к поверхности, взаимодействуют с окисленными породами, образуя углекислый газ и пары воды, выбрасываемые в атмосферу через жерла вулканов и разломы земной коры.

По данным академика Н.П. Семененко за геологическую историю существования Земли на поверхность было выброшено около 3,4-109 км3 воды. Примерно треть общего количества воды испарились с поверхности в атмосферу, где произошла фотодиссоциация молекул на водород и кислород. Оставшаяся на поверхности вода образовала гидросферу, а испарившаяся - атмосферу. Помимо паров воды и углерода на поверхность из области внутренних слоев выделялись соединения фосфора, серы, кислорода и азота. Гидросфера, таким образом, представляла собой водную основу, насыщенную различными веществами, составившими впоследствии основу первых неорганических соединений, из которых возникла жизнь.

По мнению академика И. А Опарина, «именно вода гидросферы явилась той обязательной, незаменимой средой, в которой происходило формирование наиболее сложных органических соединений, послуживших в дальнейшем материалом для построения тел живых существ. Вода и сейчас является наипростейшим, но количественно преобладающим химическим компонентом «живой материи» - всей совокупности организмов, населяющих нашу планету».

Чтобы подсчитать количество воды на планете, ученые объявили десятилетнюю гидрологическую научную программу, результатом которой стал развернутый отчет «Мировые водные ресурсы и водный баланс земного шара». Проведенные исследования и оценки подтвердили, что гидросфера (океаны, моря, озера, реки, болота, атмосфера) содержит в общей сложности 1,385-109 км3 воды, которая покрывает три четверти всей площади планеты.

Подтвердилось также, что объем доступной пресной воды в общей массе невелик - всего около 2,25% от общего объема гидросферы. Вода океанов и морей (ф 97,75%), которую в естественном виде употреблять для питья и сельскохозяйственных технологий нельзя, даже в технических конструкциях имеет ограниченное применение.

Половина общего количества пресных вод (ф 24-10 км ) присутствует на Земле в виде ледяного покрова Антарктиды, Арктики, Гренландии и ледяных и снежных шапок горных вершин. В земной коре скрыто 23,4-106 км3 воды. Таким образом, объем сравнительно доступной пресной воды исчисляется не миллионами, а тысячами кубических километров.

Более всего пресной воды находится в объемах озер (ф 1,76-105 км3), на втором месте находятся запасы воды в болотах - 1,03-104 км3, в реках сосредоточено около 2,12-103 км3. Остальная пресная вода находится в атмосфере.

Вода, как самый распространенный вид природного сырья не стала исключением в общей стратегии природопользования. Действительно, воды на Земле, если смотреть с поверхности Луны, много, а если начало системы отсчета переместить на Землю, то впечатление поменяется. Но об этом немного позже. Далее же покажем, что вода - самое странное и удивительное вещество на нашей планете.

Как написано в популярной химической энциклопедии, вода является простейшим соединением водорода с кислородом. После открытия дейтерия выяснилось, что тяжелая вода встречается в малых количествах в природе, причем по внешнему виду она не отличается от обычной воды. Формула тяжелой воды также проста - D2O, правда, она на 10% плотнее обычной воды и имеет вязкость, при прочих равных условиях, в среднем на 23% выше. В твердое состояние тяжелая вода переходит при температуре 3,8°С. Тяжелая вода испаряется с поверхности менее интенсивно, но более активно конденсируется, что объясняет более частое присутствие ее в районах с жарким климатом.

В природе тяжелая вода D2O находится в очень незначительных концентрациях, составляющих миллионные доли процента, что, собственно, и обусловило ее столь позднее обнаружение. Более распространена так называемая полутяжелая вода, имеющая химическую формулу HDO (с атомом кислорода соединены по одному атому водорода и дейтерия). В Мировом океане находится около 1000 т полутяжелой воды.

Интерес к тяжелой воде возник при разработке атомных технологий управляемой ядерной реакции. Оказалось, что тяжелая вода является эффективным замедлителем быстрых нейтронов. Тяжелая вода, в случае ее участия в термоядерном процессе, может выделять огромное количество энергии. Одна единица массы тяжелой воды в 10 миллионов раз энергетически эффективнее эквивалентного количества каменного угля.

Биологи совместно с медиками выяснили, что тяжелая вода оказывает негативное влияние на живые организмы, включая растения. При экспериментах с животными было установлено, что употребление тяжелой воды приводит в конечном счете к разложению почек. Снижение присутствия тяжелой воды на 25% ниже природного количества в экспериментах с мышами, крысами, морскими свинками и свиньями приводило к устойчивому повышению рождаемости. Куры в два раза больше приносили яиц. Отмечено также сокращение сроков созревания пшеницы и увеличение ее урожайности. Отделять тяжелую воду от обычной в настоящее время достаточно дорого. В этом процессе используются достаточно сложные физико-химические технологии.

Вслед за тяжелой водой - дейтерием - учеными была обнаружена еще одна модификация воды - сверхтяжелая вода, молекула которой состоит из атома кислорода и двух атомов трития. Химическая формула сверхтяжелой воды - Т2О. Тритий является продуктом ядерных реакций, протекающих в верхних слоях атмосферы Земли. Тритий возникает при бомбардировке атомов азота нейтронами, прилетающими из космического пространства. В минуту на каждый квадратный сантиметр земной поверхности попадает 8-10 атомов трития. По пути к поверхности, атомы трития, взаимодействуя с кислородом, образуют воду с химической формулой Т20.

Сверхтяжелая вода вскипает при нормальном давлении при температуре 104°С, а переходит в твердое состояние при температуре от + 4 до + 9С, плотность Т2О составляет 1,33-10 кг/м . Так же как и тяжелая вода D20, сверхтяжелая вода Т2О применяется в ядерной и атомной энергетике.

В лабораторных условиях получено несколько более тяжелых радиоактивных изотопов водорода {Н4, Н5}. Ученые считают, что возможны молекулы воды с любым из пяти известных изотопов водорода. Кроме изотопов водорода еще существуют изотопы кислорода, помимо О16 в природном состоянии обнаруживается кислород {О17, О18}, принципиальных невозможностей участия изотопов кислорода в образовании молекул воды не существует. Кроме природных изотопов кислорода в лабораторных условиях получены короткоживущие и радиоактивные атомы {О13, О14, О15, О19, О20, О24}. Пять водородных и девять кислородных изотопов могут обеспечивать 135 различных структур молекул воды.

Следует отметить, что абсолютно чистой, так называемой протиевой воды 1H216O в природе не существует. Такую воду, без примеси других модификаций, удается получать только в лабораторных условиях путем сложной системы физической и химической очистки или путем прямого синтеза из молекул водорода и кислорода.

тронного облака ослаблена

н

О.Э

Рис. 7.16. Электронные орбитали молекулы воды

Если представить геометрический образ молекулы воды, то ядра двух атомов водорода и кислорода образуют равнобедренный треугольник с ядром кислорода в вершине. Модель молекулы воды, изображенную на рис. 7.16, предложил датский физик Нильс Бор (1885-1962 гг.). Молекула, в соответствии с теорией электронного строения вещества, располагает пятью электронными парами, которые образуют неоднородное электронное облако с избытком концентрации в области расположения ядра кислорода. Внутренняя электронная пара кислорода равномерно окружает ядро, Бор изобразил ее в виде окружности. Четыре внешних электрона группируются в две электронные пары, которые частично не скомпенсированы. Суммарные орбитали этих пар схематично изображены в виде эллипсов, вытянутых от общего центра, в котором расположено ядро водорода. Каждый из оставшихся двух электронов кислорода образует пару с одним электроном водорода. В области расположения ядер водорода плотность элек-

Как можно видеть из схемы Бора, в молекуле воды имеются четыре полюса зарядов. Общий вид электронного облака изолированной молекулы воды приведен на рис. 7.17. Образно говоря, молекула воды представляет собой сферу с двумя выпуклостями. Молекула воды обладает ярко выраженной полярностью с относительно высоким дипольным моментом - 1,87 Дебая.

Рис. 7.17. Схема электронного облака молекулы

Вода обладает уникальной удельной теплоемкостью - с = 4182 Дж/(кг-К), что объясняет ее широкое применение в инженерных конструкциях, где надо подводить или отводить тепло.

Диэлектрическая проницаемость s = 80 (речь идет о дистиллированной воде), большей проницаемостью обладают только керамика (s = 100) и титанат бария (s = 1200). Магнитная проницаемость воды, которая по отношению к магнитным полям является диамагнетиком, равна (1 - р)-106 = 9,0.

Удивительные электрические и магнитные свойства воды, во многом еще неизвестные, обеспечили широкое распространение микроволновых печей, в которых все продукты, содержащие воду, способны разогреваться при облучении их волнами микроволнового диапазона.

Очищенная дистиллированная вода является диэлектрической жидкостью, но постоянное присутствие в ней других веществ, в частности кислот и щелочей, делает ее электропроводной. Высокая диэлектрическая проницаемость воды делает ее отличным универсальным растворителем твердых тел, газов и других жидкостей.

В пресной воде солей содержится обычно до 1 г/л. В морской воде солей содержится до нескольких граммов на литр. В Балтийском море - 5 г/л, в Черном - 18 г/л, в Красном море - 40 г/л. В среднем в одном литре воды Мирового океана содержится 34-35 г различных солей.

Практически в любой воде присутствуют газы - как в свободном состоянии, так и в растворенном виде. Система газ - вода изучена в настоящее время недостаточно, несмотря на то что газосодержание воды определяет ее многие технические и технологические характеристики. Процесс перехода воды из жидкого состояния в твердое широко распространен. Образование из воды льда и снега, которыми пользуется человек с незапамятных времен, происходит в природе, этот процесс используется в технике и технологиях. Существенная часть площади земного шара периодически покрывается снегом, а в ряде регионов, например в Арктике, Антарктике, Гренландии и в горах, снег и лед наблюдаются в течение всего года. Россия в этом плане, являясь самой холодной страной, особенно хорошо знакома с этим фазовым состоянием воды.

Процесс образования льда, как и все, что связано с водой, имеет ряд интересных особенностей. Уравнение Клапейрона - Менделеева

PV = mRT,

|Д

записанное для идеального газа, в более сложной форме справедливо и для жидкостей. Из него, в частности, следует, что понижение температуры при постоянном давлении должно сопровождаться уменьшением объема. Так происходит для подавляющего большинства газообразных, жидких и твердых тел, кроме висмута и галлия. Вода же проявляет обратное свойство. Всем известно, что если бутылку с водой положить в морозильную камеру, то при замерзании воды она лопнет.

На рис. 7.18 показана зависимость относительного объема воды от температуры в окрестностях точки замерзания.